单芯片集成加速度计陀螺的研究

　　0　引　言

　　陀螺仪主要是用来测量运动物体的姿态或转动的角速度,加速度计是用来测量加速度的变化;单芯片集成加速度计陀螺仪是把陀螺仪和加速度计集成在一块芯片上,用同一个敏感头来检测角速度信息和加速度信息,最终可以提供物体的姿态、位置和速度信息.

　　微机械加速度计是微机电系统领域研究最早的器件之一.早在1979年Roylance和Angell就开始了微机械压阻式加速度计的研制,随后各种结构的压阻式加速度计相继出现,并且增加了自检功能和集成CMOS电路,测量方向也从单轴逐渐向多轴集成测量发展.另外,多轴单片集成加速度仍然是微机电加速度计研究的热点,自从Takao和Lemkin分别于1997年提出了采用体硅工艺和表面工艺的三轴集成检测方法以来,在单片三轴集成方面国外陆续做了不少的研究,但目前尚未有商业化产品.在微型陀螺的研制方面,主要有两种工作模式:①开环振动模式建立固定的振动模式并测量哥氏加速度,以便决定旋转速率;②力平衡模式建立固定振动模式,但在闭环模式中工作,通过偏差测量,由反馈电路实现闭环趋零控制. Greiff等人(1991)中介绍了一种框架式微机电力平衡陀螺,采用力平衡方式来改善线性,拓展频带. 1994年美国DraperLab最早研究硅微机械陀螺,目前已封装和试验了数百个不同型号的微机械陀螺;美国加州伯克利大学、Rockwell和AD公司合作已生产有低精度的微机械陀螺仪产品.俄国莫斯科VectorLtd.正在研制精密的微机械陀螺,已经过论证、仿真实验.日本的Yokohama研究开发中心与有关公司合作开发出了框架式振动陀螺,瑞士Neucllatel大学也研究出了一种类似的陀螺.英国Newcast大学和Durham大学合作,研究出了一种振动膜式硅微机械陀螺[1～3].鉴于惯性器件所具有的优点,现已研制出大量的振动惯性器件及二次仪表,例如微型惯性测量组合.但由于微型惯性测量组合主要用于军事场合,涉及国家安全的领域,可见的报道较少,美国Draper实验室的微型惯性测量组合采用三个微硅陀螺、三个微硅加速计和附加电子电路构成的MIMU.本文主要使研究把加速度计和陀螺仪集成在一个单芯片上,减小微型惯性测量组合的耦合误差,缩小体积,提高其综合性能.

　　1　微机械振动式加速度计陀螺仪的结构设计

　　设计了如图1所示的微机械,该设计为双质量块正交梁结构,其驱动电极在框架上.该结构由框架、质量块、固定电极、活动电极、正交梁和支撑弹簧组成.

　　其中框架起总体支撑作用,质量块与固定电极都与框架相连,活动电极在质量块上,压敏电阻在质量块与支撑梁之间的悬臂梁上.支撑弹簧对质量块起支撑作用.