一种栅型结构微机械陀螺的研究

　　微机械陀螺是用微电子机械加工技术制作的微型陀螺,其特点是具有体积小、功耗低和适宜大批量生产。目前国际上各种结构的硅微机械陀螺层出不穷[1～3],其中以静电驱动—电容检测的振动式硅微机械陀螺为多。它们的共同特点是有互相垂直的两个振动方向,即振动激励方向和科氏力引起的敏感振动方向。在硅微机械振动陀螺的设计中,为得到较高灵敏度和稳定性,振动系统的品质因子Q的值和带宽是要考虑的重要参数,应尽可能提高Q值和带宽;此外,还应尽可能地减少寄生电容。在通常的硅微机械陀螺中,驱动结构采用梳齿形状,存在因基底使电场不对称,运动结构被上推的上浮效应,导致偏置,另外在敏感检测运动中存在压膜阻尼,敏感检测运动的Q值在大气状态下小于10,造成器件灵敏度不高。为提高器件灵敏度,微机械陀螺通常需工作在真空条件下,这给器件封装带来困难。为克服上述缺点,我们设计制作了一种新型栅结构硅微机械陀螺,该陀螺可在大气下具有较低的空气阻尼,驱动和检测模态的阻尼几乎相同。

　　1　微机械陀螺动力学分析

　　对于线性谐振驱动和线性谐振敏感检测的微机械陀螺,可以假设弹簧和阻尼都是线性的,弹性系统在简谐力作用下受迫阻尼振动,栅结构电容式微机械振动陀螺的基本运动方程为

　　式中,  分别为驱动方向和检测方向的振动位移、速度、加速度;ω为驱动力频率;t为时间;md、ms分别为陀螺的驱动质量和敏感检测质量;cd、cs分别为驱动和检测运动的阻尼力系数;kd、ks分别为驱动和检测弹性系统的弹性系数;F0为推挽静电力的幅值;Ω为施加的垂直于陀螺模态的角速度。

　　根据基本运动方程,可以得到稳态时陀螺驱动的振动幅值为

　　稳态时陀螺沿输出轴的振动幅值为

　　由式(4),设静电力幅值F0= 4.293μN,输入角速度Ω= 0.017rad/s,md=ms= 1.437mg,在kd=ks= 12.369kg/s ² 情况下,保持cd=28.93mg/s不变,cs分别为28.93mg/s和496.63mg/s时敏感检测振动幅值随驱动频率变化的曲线为D1(ω)和D2(ω);在kd=12.369kg/s ² ,ks= 12.567kg/s ² 情况下,保持cd= 28.93mg/s不变,cs分别为28.93mg/s和496.63mg/s时敏感检测振动幅值随驱动频率变化的曲线分别为D3(ω)和D4(ω),见图1。从图1可以看到,驱动和敏感检测的阻尼力系数具有相同值时,敏感检测的振幅峰值最大,随着敏感检测阻尼力系数的上升,敏感检测振动幅值的峰值下降。在驱动阻尼力系数为28.93mg/s,敏感检测阻尼力系数大于400mg/s以后,驱动本征频率与敏感检测本征频率的差别对敏感检测振动幅值频响特性几乎不产生影响.