音叉电容式微机械陀螺的误差源分析与消除

　　微机械陀螺具有成本低、体积小、可靠度高的特点,在机动车以及军事等领域有着广泛的应用前景,是当前惯性技术的一个研究热点。但相比机械转子陀螺、激光陀螺等传统的陀螺类型,微机械陀螺的精度相对偏低,极大地限制了微机械陀螺的应用范围。因此改进微机械陀螺的设计,提高其精度水平就成为微机械陀螺研究的重点和难点,而提高精度应从限制精度提高的误差源着手。

　　微机械陀螺的误差源可分为两类。一类是微机械陀螺工作模式本身的非完美性会带来一些天生的误差源。譬如微机械陀螺驱动模态与敏感模态之间的相互耦合。另一类是由于微机械陀螺的弱小信号处理特征(电容式微机械陀螺敏感模态电容的变化量常为10-15～10-18F[1]),使得加工误差造成的电容不匹配,驱动轴与敏感轴不完全垂直等因素对陀螺检测的影响不可忽略,构成了另一类误差源。消除这些误差源可提高微机械陀螺的精度水平。

　　微机械陀螺结构有多种,以横向梳齿驱动的对称式音叉结构最为典型,并且该结构大都采用静电驱动和电容检测这一最常见工作方式,因此该型陀螺(文中称音叉电容式微机械陀螺)具有一般性和典型性。本文以其为对象进行误差源的分析与消除。

　　1　音叉电容式微机械陀螺原理

　　音叉电容式微机械陀螺常见结构如图1[2]所示。由挠性梁支撑的2个相同的可动质量块构成1对音叉,并通过锚点固连于基体。其材料一般为浓掺硼的单晶硅,具有良导电性。音叉质量块两侧的梳齿分别和左、右驱动电极以及中电极上的梳齿交叉构成了2对梳齿电容器(图2中CL1,CR1,CL2,CR2)。同时音叉质量块和其下方的金属极板构成1对平行板电容器(图2中CLD,CRD)。其等效的电学模型如图2所示。

　　当在左、右驱动电极上分别施加等幅反相的交流电压时,在静电力作用下两个质量为m的音叉质量块沿X轴做相向或相背的振动,振速为x。。此时,若绕输入轴Y有角速度Ω输入时,则在输出轴Z方向产生大小为F= 2mΩx。的科氏力(Coriolis Force,图1中F1和F2)。在科氏力作用下,左右2个音叉质量块将沿Z轴分别做方向相反的振动。从而改变音叉质量块与检测极板所构成的2个平行板电容器的间距。2个电容1个增大1个减小,形成差动输出,通过对该差动输出信号的检测及处理可得到输入的角速度Ω。

　　图2中,V代表电压,右下标代表电压施加的位置。如VLM代表左驱动电极(Left Motor)上的电压,VLD代表左检测极板(Left Detector)上的电压;i代表电流,右下标代表电流流过的器件。如iL1代表流过电容CL1上的电流;电流iOUT代表敏感模态的输出电流,即陀螺表头的输出信号。