一种基于滑膜阻尼效应的新型微机械陀螺

　　0　引言

　　微机械陀螺通常采用静电驱动和电磁驱动方式。静电驱动方式利用两组电极之间的静电吸引力来实现,驱动力较小,系统阻尼为压膜阻尼,因此其品质因子(Q值)较低,一般需要在真空状态下工作,增加了封装的难度[1]。电磁驱动方式[2]主要是利用洛仑兹力来实现,驱动力大,振动模态主要是滑膜阻尼,因此驱动振幅大,Q值较高。微机械陀螺的检测方式一般采用梳齿状电容检测,通过梳齿状电极间的距离变化来检测角速度信号,其优点是结构简单,温度敏感度低,但是梳齿电容的电极间存在着很大的压膜阻尼,Q值很低,这限制了微机械陀螺灵敏度的提高。本课题组曾提出了具有栅形电极结构的微机械陀螺[3],提高了Q值,但是该陀螺驱动力小,且容易受到旁轴加速度信号的干扰。

　　本文提出一种新型的采用电磁驱动方式的基于滑膜阻尼效应的微机械陀螺。该系统具有较高的Q值和灵敏度。整个陀螺结构采用体微机械加工技术实现,工艺简单。

　　1　工作原理

　　如图1所示,微机械陀螺由对称的两部分构成,每一部分包含一个驱动质量块和一个检测质量块,检测质量块位于驱动质量块的中间,通过弹性梁和驱动质量块连接,两个驱动质量块中间由弹性梁连接起来构成音叉式结构,每个驱动质量块通过弹性梁与固定于玻璃衬底上的锚点相连。检测质量块上制作有栅形电极,作为检测可动电极。栅形电极下面的玻璃衬底上制作有叉指形的检测固定电极,其中每一对叉指电极对应于检测质量块上一个栅形电极,见图2a。一对叉指形固定电极和栅形可动电极一起构成差分检测电容C1和C2。

　　陀螺工作时,在驱动线圈上通以交变的驱动电流,在系统Z方向施加的匀强磁场B的作用下,产生的洛伦兹力作用于两个驱动质量块,使之沿X轴做反相振动。当系统受Z方向的角速度Ω作用时,检测质量块在洛伦兹力的作用下沿Y方向振动。此时差分检测电容C1和C2由于交叠面积发生变化而变化,见图2b,且变化量与角速度信号成正比。通过检测差分电容C1和C2的变化量,可以得到系统在Z方向的角速度。

微机械陀螺每一个驱动质量块受到的驱动洛伦兹力可以用下式表示:

　　假定驱动频率等于陀螺驱动模态的固有频率,求解运动方程,可以得到陀螺驱动和检测模态的振幅为

　　由式(4)～式(6)可以看出,敏感电容的变化与陀螺驱动模态和检测模态的阻尼密切相关。阻尼越小,Q值越高,在相同条件下容易获得大的振幅和检测电容变化,系统灵敏度也就相应越高。当系统有角速度信号输入时,两组检测质量块反相振动,通过测量ΔC可以获得角速度信号。而当系统受到加速度作用时,检测质量块同相振动,由于左右两组检测电容对称而互相抵消,因而ΔC= 0,从而实现了对加速度干扰信号的抑制。驱动质量块和检测质量块工作时均沿平行于衬底所在平面运动,因此驱动和检测模态的阻尼均为滑膜阻尼。