一种全对称微机械陀螺的双级解耦机构特性

　　陀螺是一种测量物体相对于惯性空间角度或者角速度的传感装置,广泛应用于惯性导航与制导、平台稳定以及惯性测量领域.采用微机械加工技术制作的陀螺与传统的陀螺相比,具有尺寸小、成本低和功耗低优势,已经成为惯性器件研究的一个热点[1-2].目前,微机械加速度计已经成功地应用于汽车安全气囊、防滑控制系统以及惯性导航系统,验证了微惯性器件的可行性[3].然而,作为微惯性器件的另一关键部件———微机械陀螺,由于其动态特性较加速度计复杂和更微弱的检测信号,使仅有少量的微机械陀螺实现了商品化,大部分微陀螺仍处于研究阶段.为了提高微陀螺的性能,目前微陀螺敏感结构的研究主要有:匹配驱动模态和检测模态谐振频率来提高系统灵敏度;降低驱动和检测模态之间的耦合;研究能在常压下工作的微机械陀螺.由于微机械加工工艺误差等原因,微陀螺的谐振频率通常不能很好地匹配.早期的研究人员通过掺杂或者调整弹性梁的宽度来调整谐振频率,这种方法的工艺难度较大[4]. 1998年,韩国的Oh等[5]提出了一种利用静电力调整谐振频率的方法.Alper等[6-8]提了一系列结构对称的解耦结构微机械陀螺仪,结构的谐振频率非常容易匹配,同时降低了由于温度引起的漂移.同时,模态阻尼的匹配也会影响器件的灵敏度带宽等指标[9].工艺误差引起的弹性梁结构不对称以及驱动轴和敏感轴并非绝对正交而导致的交叉轴耦合,也就是驱动方向的振动会耦合到敏感方向,从而带来正交误差.虽然可以利用正交误差与敏感输出信号相位相差90°的特点,对敏感输出信号选择合适相位的参考信号进行同步解调来消除正交误差,但是也降低了陀螺性能.德国的Geiger等[10]于2003年提出了单级和双级解耦机构微机械陀螺的设计思想,并制作了双级解耦微机械陀螺.Acar等[11]于2005年提出了一种双级解耦机构微机械陀螺,通过弹性梁设计惯性质量块具有两个自由度,而限制驱动和检测梳齿仅有一个自由度,有效地降低了结构耦合.微机械陀螺的品质因子是影响陀螺性能的又一个重要参数,品质因子越高灵敏度越高.研究人员通过真空封装来降低空气阻尼,提高品质因子,但是真空封装增加了工艺难度和成本,同时也降低了器件工作可靠性.上海微系统所熊斌等[12]于2003年研制了一种可在常压下工作的栅状结构微机械陀螺,该陀螺在驱动方向和检测方向主要的阻尼效应均为滑膜阻尼效应.

    笔者为解决频率匹配、模态解耦以及避免真空封装等问题,提出了一种基于滑膜阻尼效应的全对称双极解耦微机械陀螺.

　　1　微陀螺的工作原理与结构

　　微陀螺结构如图1所示.假定X轴为驱动方向,Y轴为检测方向,Z轴为角速度输入方向.工作的时候在固定驱动梳齿的一侧施加电压Vdc+Vacsin(ωt),另一侧施加电压Vdc-Vacsin(ωt),通过静电驱动力驱动上下两组驱动活动梳齿在X方向谐振,驱动梳齿通过上下两组平行于X轴的内弹性梁带动中心质量块也在X方向谐振.而与X轴平行的4根外梁在X方向的刚度很大,限制了检测活动梳齿在X方向的位移,抑制了交叉轴的耦合.同样,驱动活动梳齿在Y方向的位移也被抑制了,中心质量块则具有X、Y两个方向的自由度.当有Z方向的角速度输入时,由于科里奥利力的作用,质量块在Y方向产生谐振,通过左右两组平行于Y轴的内梁带动检测梳齿也在Y方向谐振,谐振位移与输入角速度成正比.假设质量块沿Y轴负向运动,则下面一组检测活动梳齿与固定梳齿形成的电容C2增加,而上面一组检测活动梳齿与固定梳齿形成的电容C1减少,从而形成差分输出;通过接口电路检测差分电容即可获得角速度的信息.