微机械振动陀螺仪正交误差分析

　　1　引　　言

　　微机械振动陀螺仪具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、易于与微电子电路集成等一系列优点,可广泛应用于汽车安全与导航、机器人及航空航天等领域。微机械陀螺仪以薄硅片为材料,采用半导体加工工艺制作而成,其加工尺寸小到零点几个微米。但在目前现有的加工条件下,很难精确控制其加工尺寸,加工误差的存在导致微机械振动陀螺仪的驱动轴与敏感轴不能完全垂直,产生正交误差[1]。研究如何消除和抑制正交误差,对于提高微机械振动陀螺仪的整体性能具有重要意义。

　　2　正交误差分析

　　2.1　微机械振动陀螺仪工作原理

　　微机械振动陀螺仪一般由支承梁和检测质量块组成,多采用静电驱动、电容检测的结构形式,图1为其结构示意图。

　　检测质量块在静电力F=F0sin(ωt)作用下沿驱动轴(X轴)作简谐振动,当沿输入轴(Z轴)方向存在角速度Ω时,哥氏(Coriolis)效应产生的哥氏力FCoriolis=2mΩx使得检测质量块在输出轴(Y轴)方向上产生振动,接口电路将与输入角速度成正比的敏感电容变化量转换成电压信号,测量该电压信号即可获得要求的角速度信息。

　　2.2　正交误差的产生

　　理想情况下,微机械振动陀螺仪驱动方向和敏感方向上的运动方程[2]为:

　　微机械陀螺仪处于谐振状态(ω=ωx,ωx为驱动模态的谐振频率)时,检测质量块沿驱动轴方向的位移为:

　　微机械振动陀螺仪采用半导体加工工艺制作,但加工工艺的限制和加工误差的存在使得检测质量块质心的运动轨迹不能与理想驱动轴线(X轴)重合,驱动轴与输出轴不能完全垂直,即使没有输入角速度Ω,驱动振动也会在输出轴方向上产生一个误差分量ε[3],如图2所示。

　　结合图2和式(3)可得,当驱动轴线偏离X轴很小的角度ε时,有效哥氏加速度和输出轴方向上的误差加速度分别为:

　　从式(6)可见,有效哥氏加速度与驱动信号同相,输出轴方向上的误差加速度与驱动信号的相位差为90°,因此,该误差被称为正交误差。

　　由于通常ω/Ω较大,即使一个很小的误差偏角ε,正交误差信号的幅值也较大。设Ω=0.01°/s,ω=20kHz,当正交误差与哥氏加速度信号幅值相等时,偏角ε等于百万分之一度。这对微机械陀螺仪的制造工艺和信号解调电路提出了苛刻的要求。

　　3　正交误差的抑制与消除

　　微机械振动陀螺仪所用加工材料的质量不均匀、加工中尺寸误差的存在、残余应力的存在等原因,使得正交误差不可避免。但可以从敏感结构的改进、加工工艺的改善及加工误差的减小、输出信号同步解调、误差补偿等方面对正交误差信号进行抑制或消除,削弱其对微机械振动陀螺仪整体性能的影响。