降低振动环式微机械陀螺同频干扰的方法研究

　　振动环式微机械陀螺结构对称性好,其振动模态在同一平面上,避免阻尼等因素造成激励和检测模态的频率失配。因此,两个相同的振动模态提高了传感器的品质因数,使其具有更好的灵敏度[1]。但是,传感器在MEMS加工过程中,由于加工因素如深刻蚀以及材料结构性能等的影响,势必造成器件结构质量和刚度的不对称,使得激励模态的实际振动轴向与理想轴向存在偏差,引起由激励力产生刚度分量和阻尼分量的同频干扰,导致检测信号的信噪比下降。因此,找到降低同频干扰的有效方法,对提高振动环式陀螺灵敏度具有非常重要的意义。振动环式陀螺国内尚处在研究阶段,相位解调是克服同频干扰的一个重要途径[2, 3]。但是,振动环式陀螺同频干扰来源以及解决途径仍是陀螺检测电路中的一个主要问题。本研究将激励信号辐射到检测端的同频干扰分解为刚度分量和阻尼分量,建立这两种干扰源的数学模型,为噪声定量分析作理论基础,并分别采用相位解调和电路调整零位漂移的方法降低两项干扰分量。

　　1　振动环式微机械陀螺工作原理

　　电磁激励振动环式微机械陀螺结构如图1所示,振动环由8根支撑梁固定,匀强磁场垂直环面穿过。振动环对称性好,陀螺工作时激励模态和检测模态频率在理想情况下完全相同,并且振型在同一平面上,这样陀螺在大气条件下工作时也能保证激励模态和检测模态的阻尼相同,使得两模态谐振频率相等,因此可获得较高的检测灵敏度。

　　支撑梁和相邻的环上含有导电通道,如图2中所示,梁的另一端将导电通道引出到基座锚点上连接外部接口电路。激励时,从锚点引入交变激励电流,流过支撑梁和振动环,磁场中振动环在洛仑兹力的作用下发生振动,其振型如图3(a)所示(激励模态)。检测过程中,传感器载体绕z轴旋转时,在Coriolis力作用下,振动环振型发生45°偏转[4],如图3(b)所示(检测模态)。振动环内导电通道切割磁感线,产生感生电动势。感生电动势的幅值正比于陀螺角速度[5],通过检测感生电动势幅值可得载体角速度。

　　2　激励信号在检测端引起的同频干扰数学模型

　　2. 1　同频干扰与Coriolis力相位差

　　振动环式微机械陀螺的振动可等效简化为一个二阶振动系统[6]。因此,激励模态运动方程可表示为

　　式中,FΩ是Coriolis力;Ω是待测角速度;my、cy、ky和uy分别是检测模态振动的等效质量、等效阻尼、等效刚度和位移。实际中由于陀螺的结构参数、材料参数、质量等的微小不对称,检测端含有激励信号辐射过来的干扰,因此在式(3)的基础上可得到含干扰的检测模态方程