硅微机械振动陀螺零偏温度补偿研究

　　硅微机械陀螺是一类难度较大的微机电系统( MEMS) , 它由单晶硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成, 是属于硅的微机械加工与陀螺仪理论相结合的产物。由于硅微型惯性器件在精度和稳定度上都容易受自身材料、制造工艺以及工作环境各因素的影响, 这直接影响到其在商业以及军事领域的应用。因此在航海导航等对陀螺仪精度要求较高的领域里, 它与实际应用还有很大的差距。这就要求人们采用各种可行的方法来提高其精度。

　　各种因素对陀螺性能都会产生影响, 包括陀螺仪自身材料特性的变化、外围电路的电气特性的变化等。其中, 环境温度的变化对微机械陀螺仪性能有较大影响。陀螺表头的尺寸结构、材料的弹性模量以及陀螺检测电路中电子器件的性能都会随温度的改变而变化, 主要影响到陀螺的零位输出, 使其发生改变。因此有必要采取温度控制或温度补偿措施来消除这种误差。

　　1 温度对零偏影响的机理分析

　　由于微机械陀螺仪工作主要受其谐振频率影响, 而陀螺仪材料的弹性模量以及陀螺外围电路中电子器件的性能都会随温度的变化而变化, 弹性模量的改变会导致系统刚度的变化, 从而改变陀螺谐振频率, 使其产生漂移。陀螺外围电路中电子器件的温度漂移会影响输出信号的精度。这些因素将会主要影响到陀螺的零位输出和标度因数, 从而影响到陀螺仪输出特性的精度以及稳定性[ 1] 。

　　微机械陀螺仪以薄硅片为材料, 利用半导体加工技术制作而成。由于硅材料是一种热敏材料, 它的机械、物理特性受温度影响较大, 当温度发生变化时, 不仅结构尺寸要变形, 材料的弹性模量、拉伸强度、残余应力等性能也会发生巨大变化。设材料的热膨胀系数为A, 半导体尺寸为l0 , 则温度变化$T时, 材料的尺寸变化为L , 且L = l 0 ( 1 + A$T ) 。对于单晶硅, A= 2. 6 *10- 6 / K 。而陀螺仪的K 是结构尺寸的函数, 温度引起结构尺寸的变化, 将会引起梁的刚度的变化, 从而导致陀螺仪的固有角频率发生变化。而固有角频率与灵敏度、动态特性以及稳定性有关, 所以, 温度不仅会影响陀螺仪的输出灵敏度,对陀螺仪的动态特性及稳定性也将产生很大影响。

　　此外, 集成在微陀螺仪芯片上的构成信号处理电路的元器件, 由于其内载流子不规则热运动, 也会产生较大的干扰热噪声, 从而导致整个处理电路产生较大的温漂。因此, 环境温度的变化, 对硅微陀螺仪的微小信号检测影响较大[ 2] 。

　　2 零偏温度的建模与补偿

　　为了研究温度对微机械陀螺零偏的影响, 将某型微机械陀螺放置入温控箱内, 在- 40 e 、- 30 e 、- 20 e 、- 10 e 、0 e 、10 e 、20 e 、3 0 e 、40 e 、50 e 、60 e 环境温度下, 对其进行零偏测试。待各温度场恒定后, 分别采样5 min, 取其均值作为此温度下陀螺的零偏稳定值[ 3] 。