单片集成三轴微机械陀螺技术初步研究

　　近些年来,人们一直在致力于低成本的陀螺的研制,在过去的几年里,因为体积小,成本低,抗冲击性能好,微机械加工的陀螺越来越受到人们的重视,并开始在一些需要测量角速度的领域得到应用,比如虚拟现实、平台稳定、计算机的惯性鼠标、数码照相机的稳定、个人导航等不同领域。到目前为止,大部分的研究集中于单轴和双轴陀螺,它们一般只能测量惯性空间坐标轴一个或两个方向的角速度,但如果要进一步微型化,必然的趋势是单片集成能测量全空间角速度的陀螺,这样不仅体积小,更重要的是省却了多个陀螺装配时保证相对位置的麻烦,从而减小了测量误差,大大地提高了测试系统的精度。1998年,美国加州大学伯克利分校传感器和执行器研究中心(BSAC)首次利用桑地亚国家实验室(SNL)MEMS表面加工工艺研制了单片集成三轴陀螺仪和三轴加速度计样品,本研究采用体加工工艺研制了单片集成三轴陀螺样机,并进行了初步的驱动性能测试,进一步的性能测试将在以后的研究工作中逐步展开。

　　1　结构设计

　　1. 1　方案选择

　　要在一片硅片上设计和制造可同时测量全空间正交三轴的角速度的方案形式有以下几种结构形式:

　　①在此硅片上只有一个陀螺,这个陀螺能同时测量正交三轴的角速度,这种设计形式非常难以实现。

　　②在此硅片上有两个陀螺,至少其中一个是双自由度陀螺,但是双自由度陀螺的两个轴之间的耦合作用比较大,给后续的测控线路设计加大难度。

　　③在此硅片上有3个单自由度的陀螺,每一个陀螺测量空间不同轴方向的角速度,这种形式结构简单,易于实现,而且不会增加加工成本,在设计时的约束比前两种结构要弱,结构参数可以更加优化,性能指标可以更高,测控线路的实现更加容易。基于以上考虑,本研究采用了最后一种结构方案。

　　1. 2　结构形式

　　本单片结构由3个独立的陀螺结构组成,分别为X轴、Y轴和Z轴陀螺,它们分别测量空间正交X轴、Y轴和Z轴方向的角速度,由于在实际应用时测量X轴和测量Y轴方向的角速度具有完全对称性,因此X和Y轴陀螺的工作原理和结构形式都是采用同一种形式,参数值也设计为相同的值,只是它们的位置相互垂直而已,这样可以简化设计,降低设计难度,便于制造。从测控电路实现的考虑来看,由于有3个陀螺信号需要处理,电路将会十分复杂,为了尽量简化测控线路,将3个陀螺的驱动频率设计为同一个值,这样可以采用一路驱动电路来驱动3个陀螺,把X和Y轴陀螺设计成完全一样也是为了满足这个条件。图1为X/Y轴陀螺结构,图2为Z轴陀螺结构,其中Z轴陀螺的检测方向采用了动态放大技术,它能够在比较宽的频率带宽中保持增益基本不变,工作频带宽,这样做的目的是使Z轴陀螺的工作频率可以调节,使它的工作频率能够与X轴(Y轴)的工作频率接近,由此使得3个轴的陀螺工作频率保持一致,以利于采用单一驱动电路来驱动3个陀螺。