微机械振动式陀螺仪灵敏度分析

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双质量硅微机械陀螺的固有频率温度及特性研究

双质量硅微机械陀螺的固有频率温度及特性研究摘要：双质量硅微机械陀螺装置是根据计算机电控系统技术的主要原理内容进行梳理的，并联合新型结构的调整措施实现整体小体积、轻质量、低耗能和荷载水准的开发，使其能够全面抵受恶劣环境的摧残，并深度开拓适应汽车牵引系统的支持潜力，促进行驶过程中的稳定校准功效，保证摄像机搭建校正下的创新领域的完善。

但实际的硅微机械振动式陀螺使用环节中受到一定耦合信号和温度效应的影响，不利于其整体工作质量的开发能力得到展现。

因此，需要利用科学技术进行细致分析，争取全面改善该机械陀螺的性能，保证内部温度误差问题可以得到有效解决，促进机械电控事业的综合发展。

关键词：双质量硅微机械陀螺；电耦合信号；温度效应；特性内容；现状分析前言：利用硅微机械陀螺的实际构造结构和工作原理进行融合分析，并开放静电驱动设备实现系统动力中心的检测，保证在此基础上的固有运作频率能够满足实际设备驱动的稳定效果，配合机械现实灵敏感应能力进行电耦合误差基础资料的整理。

在误差影响因素相对齐全的前提下，利用驱动频率调制整改技术进行电耦合信号消除方案的整理，并联合适当的电路原理知识进行验证。

1.我国硅微机械陀螺仪研究技术的现状根据国内各大知名院校的总体努力，对MEMS的基础技术原理和应用改革做了必要的调整，尽管一切操作支持活动还只是停留在实验室样机试用状态，但实际的陀螺仪温度稳定维持能度基本可以控制在每小时30度左右。

针对现下需要解决的实际问题就是全面拆解密闭腔内的电耦合误差布局，争取对温度误差分布规律做到足够详细的处理，避免技术工艺的重复性覆盖，全面支撑电路的可靠运行以及周围温度环境的适应能力。

1.1.电耦合误差现状的分析硅微机械在振动式陀螺仪结构上做了一系列的调整，并且适当引用电路布局电容的实际状况资料，实现驱动装置位移条件下的具体敏感输出信号的格式把握。

主要包括驱动位移状况和输入角终端的敏感信号的电耦合隐患问题，在整体陀螺仪装置的信号输出环节中进行解析，其中可以作为利用的信号在输入角速度的呼应标准并不是相当明确。

微机械陀螺仪温度特性及补偿算法研究

微机械陀螺仪温度特性及补偿算法研究陈怀,张嵘,周斌,陈志勇(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)摘要:微机械陀螺是近代发展起来的一种角速率传感器,与传统陀螺仪相比,它具有体积小、重量轻、价格便宜等特点,但其性能受环境温度的改变影响很大。

通过分析温度变化对微机械陀螺仪的影响,推导出陀螺输出、驱动轴相位与温度的关系,提出了一种无温度传感器的新型补偿算法,经温度实验补偿后的陀螺温度漂移减小到补偿前的5%,为微机械陀螺的性能改善提供了一种新的途径。

关键词:微机械陀螺仪;温度特性;补偿中图分类号:TH7;V241.5 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2004)10-0024-03 Research on thermal characteristic and compensation algorithmfor MEMS-gyroscopeC HEN Huai,ZHANG Rong,ZHOU Bin,C HEN Zh-i yong(Dept of Precision Instr&Mechanology,Tsinghua University,Beijing100084,C hina)Abstract:ME MS-gyroscope is a kind of angular-rate-sensor developed in recent years,which has smaller size,lighter wei ght and lower cost than traditional rate-sensor.But temperature changing largely influences the performance of ME MS-gyroscope.The influence by temperature changing is analyzed.Relation among zero-rate-output,phase of drive-axis and temperature is derived.Therefore,a novel compensation algori th m wi thout temperature-sensor is presented.The thermal bias drift of the gyroscope compensated by temperature-experiment is reduced to5%of the value before compensation.The resul ts show a new method to improve the performance of MEMS-gyroscope.Key words:MEMS-gyroscope;thermal characteristic;compensation0 引言近年来,微机械陀螺得到了很大的发展,出现了音叉式、线振动式、振动轮式等多种结构型式,并在越来越多的领域获得了重要应用。

MEMS陀螺仪的简要介绍（性能参数和使用）

MEMS陀螺仪的简要介绍（性能参数和使用）MEMS传感器市场浪潮可以从最早的汽车电子到近些年来的消费电子，和即将来到的物联网时代。

如今单一的传感器已不能满足人们对功能、智能的需要，像包括MEMS惯性传感器、MEMS环境传感器、MEMS光学传感器、甚至生物传感器等多种传感器数据融合将成为新时代传感器应用的趋势。

工欲善其事，必先利其器，这里就先以MEMS陀螺仪开始，简要介绍一下MEMS陀螺仪、主要性能参数和使用。

传统机械陀螺仪主要利用角动量守恒原理，即：对旋转的物体，它的转轴指向不会随着承载它的支架的旋转而变化。

MEMS陀螺仪主要利用科里奥利力（旋转物体在有径向运动时所受到的切向力）原理，公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念，利用振动来诱导和探测科里奥利力。

MEMS陀螺仪的核心是一个微加工机械单元，在设计上按照一个音叉机制共振运动，通过科里奥利力原理把角速率转换成一个特定感测结构的位移。

以一个单轴偏移（偏航，YAW）陀螺仪为例，通过图利探讨最简单的工作原理。

两个相同的质量块以方向相反的做水平震荡，如水平方向箭头所示。

当外部施加一个角速率，就会出现一个科氏力，力的方向垂直于质量运动方向，如垂直方向箭头所示。

产生的科氏力使感测质量发生位移，位移大小与所施加的角速率大小成正比。

因为感测器感测部分的动电极（转子）位于固定电极（定子）的侧边，上面的位移将会在定子和转子之间引起电容变化，因此，在陀螺仪输入部分施加的角速率被转化成一个专用电路可以检测的电子参数---电容量。

下图是一种MEMS陀螺仪的系统架构，，陀螺仪的讯号调节电路可以分为马达驱动和加速度计感测电路两个部分。

其中，马达驱动部分是透过静电引动方法，使驱动电路前后振动，为机械元件提供激励；而感测部分透过测量电容变化来测量科氏力在感测质量上产生的位移。

当然，MEMS陀螺仪还具有其它功能模块，比如自检功能电路，低功耗以及运动唤醒电路等等。

下面主要介绍MEMS陀螺仪的主要性能参数。

硅微振动陀螺仪设计与性能测试

硅微振动陀螺仪设计与性能测试贾方秀;裘安萍;施芹;苏岩【摘要】介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测.利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构.为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空封装技术实现了器件级真空封装,并消除了轴向加速度等共模干扰的影响.陀螺电路采用自激闭环驱动、开环检测的方式,简化了电路.为了降低环境温度对陀螺零偏的影响,研究了既定范围内陀螺的输出特性,建立了陀螺输出与温度之间的关系模型,设计了温度补偿电路,降低了陀螺整表的功耗和体积.对采用上述技术的硅微陀螺仪进行了性能测试,测试结果表明,陀螺Q值＞100 000,量程为±500(°)/s,标度为21.453 mV·(°)-1s-1,非线性和对称性分别为36.905×10-6和184.125×10-6.常温下陀螺零偏稳定性为7.714 3(°)/h,带宽为100 Hz,整表体积为31mm×31mm×12mm,功耗为288 mW.该陀螺仪性能好、体积小、功耗低,在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)005【总页数】10页(P1272-1281)【关键词】硅微振动陀螺仪;真空封装;自激驱动;温度补偿【作者】贾方秀;裘安萍;施芹;苏岩【作者单位】南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094;南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094;南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094;南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】V241.5;V666.1231 引言硅微机械陀螺是一种（Micro-Electro-Mechanical Systems）MEMS传感器，具有微型化、智能化、多功能集成化和适于批量生产等优点。

微机械陀螺仪技术研究

针对原子、分子和电子等的极小化研究，尺度特征为微米、纳米甚至皮米，研究手段以扫描隧道显微镜为代表。

这其中，微型化是近二三十年自然科学和工程技术发展的一个重要趋势，而微纳米技术的研究则推动了这一领域的蓬勃发展。

微电子机械系统(Micro．Electro—Mechanical Systems，简称MEMS)是微纳米技术研究的一个重要方向，是继微电子技术以后在微尺度研究领域中的又一次革命。

MEMS是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成为一体，形成同时具有“传感一计算(控制)—-执行”功能的智能微型装置或系统。

MEMS的加工尺寸在微米量级，系统尺寸在毫米量级。

它的学科交叉程度大，其研究已延伸至机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科，技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域。

MEMS的发展源于集成电路，但又有所区别：MEMS能够感知物理世界中的各种信息，并由计算单元对信息进行处理，再通过执行器对环境实施作用与控制。

微型化是MEMS的一个重要特点，但不是唯一特点。

首先，MEMS不仅体积小、重量轻，同时具有谐振率和品质因子高、能量损失小等特点。

其次，可批量加工特点大大降低了MEMS产品成本：若借助于MEMS器件库，MEMS的设计将更加灵活，重用率更高。

最后，强大的计算能力是MEMS系统实现信息采集、处理、控制的关键，充分利用集成电路的计算优势将会拓展MEMS在智能控制等领域的应用。

随着微电子技术和微机械加工技术的发展及振动陀螺仪的出现，使人们制造出微小型惯性元器件的梦想成为了现实。

在微观尺寸生产领域制造技术革命性的发展，使得小型元器件的尺寸突破了一个又一个极限。

如扫描隧道显微镜，可以实现原子分辨率；电子束、离子束、X 射线束制造技术，可以使器件的特征线宽做到100．250埃：分子工程也与常规的平面工艺密切地结合起来。

由于这些技术及相关技术的不断发展，使微小型制造业推进到了微米／纳米的水平。

基于灵敏度解析的微机械陀螺结构优化方法

ｕｉｅｓｔｖｔｎａｙｉｓｎｇｓｎｉｉｉｙａｌｓｓ
ＷＡＮＧ —ｉＡｎｌｎ，ＳＨＡＮｎｇｙｎＹｉｉｇ，ＩＵａｇｊｎＩＧｕｎ－ｕ，ＪＡＮＧｏＩＴａ
（ｌｇｆＭｅｈｎｃｌｇｉｅｒｎＣｏｌｅｏｅｃａｉａＥｎｎｅｉｇ，ＴｏｇｉｎｊＵｎｖｒｉ，Ｓａｇａ２０９，Ｃｉａｉｅｓｔｙｈｎｈｉ００２ｈｎ）
终输出性能影响最为关键的尺寸参数；以这５个参数为设计变量，以系统输出特性作为优化目标并
对微陀螺结构进行了优化．灵敏度解析方法的应用有效解决了微陀螺结构优化过程中所存在的计
算量大、解析时间长等实际问题，对相关ＭＥＭＳ器件的结构优化设计研究具有一定的参考价值．
王安麟。盈盈。善刘广军。姜涛
（济大学机械工程学院，海２０９）同上００２
摘要：以一种音叉振动式微机械陀螺为研究对象，其复杂多自由度模型的２对４个设计参数进行灵
敏度解析，分别计算其对系统驱动模态和检测模态固有频率的动态灵敏度，筛选并确定出５个对最
ＡｂｔａｔＦｏｃｉｇｓｒｃ：ｕｓｎｏｎｔｐｉａｔｎｎｇｏｋｉｒｔｒｍｉｒｍａｈｉｅｇｙｏｃｐｅ，ｔｉｐｐｒａｙｃｌｕｉｆｒｖｂａｏｙｃｏｃｎｄｒｓｏｈｓａｅｉｒｄｅｅｉｉｉｙａａｙｓｓｍｅｈｏｔｅａａｙｉｎｔｍｉａｉｎｏｏｐｉａｅｎｔｏｕｃｓａｓｎｓｔｖｔｎｌｉｔｏｄｔｈｎｌｓｓａｄｏｐｉｚｔｏｆｃｍｌｃｔｄｍｕｌｉＤＯＦｔ— ｍｏｅ．Ｉｅｕｉｅｎａｉｅｓｔｖｔｎｙｓｓｔｈｅ２ｅｉｎｐａａｅｅｓｏｈｒｃｅｂｙｄ１ｔｒｑｒｓａｄｙｍｃｓｎｉｉｉｙａａｌｉｏｔ４ｄｓｇｒｍｔｒｆｔｅｇｙｏｓｏｐｅａｉｎａｈｐｒｍｅｅ ’ ｎｆｕｅｅｏｎｔｅｎｔｒｌｆｅｅｃｅｈｒｖｉｘｍｎｉｇｅｃａａｔｒＳｉｌｎｃｈａｕａｒｑｕｎｉｓｏｆｔｅｄｉｎｇｍｏｄｎｄｓｎｓｎｅａｅｉｇｍｏｄ．Ａｎｄｔｎｆｖｅｉｌｅｔａｐｒｍｅｅｓｔｔａｅｍｏｓｎｌｎｔａｈｅｏｕｐｕｅｆｒｎｃｅｈｅｉｎｆｕｎｉｌａａｔｒｈａｒｔｉｆｕｅｉｌｏｎｔｔｔｐｒｏｍａｅａｅｄｔｒｎｅａｔｄｅｉｖｒａｌｓｏｔｅｏｌｒｅｅｍｉｄｓｈｅｓｇｎａｉｂｅｆｒｈｆｌｏｗｉｓｒｔａｏｉｉａｉｎ．ＡｎｐｔｍａｎｇｔｕｃｕｒｌｐｔｍｚｔｏｏｉｌｓｒｔｒｏｔｇｙｏｃｐｅｓｔｕｃｕｅｆｈｅｒｓｏｉｏｂａｎｅｂｙｎｐｉｚｔｏｐｒｃｄｕｅＴｈｐｏｐｅｍｅｈｏｔｉｄａｏｔｍｉａｉｎｏｅｒ．ｅｒｏｓｄｔｄｒｄｅｕｈｆｈｅｅｕｃｓｍｃｏｔｄｉｆｃｔｅｉｔｃｖｎｔｏｌｅｉｎｆｉｕｌｉｓｎｈｅｏｎｅｉｎａｄｓｇｍｅｈｏｔｄ，ｓｈｓｈｅｍｏｔｕｃａｔａｕｎｏｆｃｌｕａｉｎｄａｌｓｓｐｅｉｄ，ａａｅａｒｆｒｎｃｏｈｅｓｒｔａｓｇｎｄｏｔｍｉａｉｎａｃｌｔｏｎａｎａｙｉｒｏｎｄｃｎｂｅｅｅｅｆｒｔｔｕｃｕｒｌｄｅｉｎａｐｉｚｔｏ

振动式微机械陀螺动态特性光学测试_康新

文章编号:0253-2239(2006)02-0202-5振动式微机械陀螺动态特性光学测试*康　新1　董萼良2　裘安萍3　何小元21南京理工大学力学与工程科学系,南京2100942东南大学工程力学研究所,南京2100963东南大学仪器科学与工程系,南京210096摘要:　针对振动式微机械陀螺的设计过程中对微振子动态特性的精确评价问题,提出一种测量微振子动态特性的光学方法。

该方法利用高速摄像机获取陀螺微振子在振动时的时间序列图像,然后采用数字图像相关技术对序列图像进行相关计算,以获得微振子在大气中振动的位移、速度和加速度曲线,并由此计算微振子的固有频率和品质因数。

该方法对位移的分辨力在亚微米量级,具有较高的测量精度。

对文中被测陀螺驱动模态的固有频率测量结果为2061.67H z ,大气压下的品质因数测量结果为66.67。

提出的方法可为微陀螺动态特性的测量提供一种精确、有效的途径。

关键词:　光学测量;微机械陀螺;固有频率;品质因数;数字相关;时间序列图像中图分类号:T H113.1;T H824+.3 文献标识码:A　*国家自然科学基金(10472026,10572060)资助课题。

作者简介:康　新,女,河北石家庄人,博士,副教授,主要从事微尺度光测方面的研究。

E -mail :ckkang @ 收稿日期:2005-04-19;收到修改稿日期:2005-07-04Optical Testing of Dynamic Characteristics of a Micro -Machine dV ibratory GyroscopeKang Xin 1　Do ng Eliang 2　Qiu Anping 3　He Xiaoyuan21Depart ment of App lied Mechanics ,Nanjing University of S cience and Technology ,Nanjing 2100942Research I nstitute of Engineering Mechanics ,Sout heast Universit y ,Nanjing 2100963Depart ment of Instrument Science and Technology ,S out heast University ,Nanjing 210096Abstract :　To evaluate precisely the dynamic characteristics of the resonator of a m icro -machined vibratory gyroscope during its design process ,an optical method for measuring the dynam ic c haracteristic s of a micro -resonator is proposed.In the proposed method ,a digital image correlation tec hnique is used to calc ulate the correlation c oefficients among the temporal series images of the micro -resonator ca ptured using a high -speed video camera in order to acquire the displacement ,velocity and accelerator c urves of the m icro -resonator in the atmosphere ,and then the natural frequency and the qua lity factor of the micro -resonator is obtained acc ordingly.The proposed approach has a high precision since the vibrating displac ement is measured at submicrometer resolution.The natural frequency and the quality factor in atmosphere for the driving mode of the tested gyroscope are measured as 2061.67Hz and 66.67respectively.The present method may provide an accurate and effective measurement tool for the evaluation of the dynamic characteristics of a m icro -m achined vibratory gyrosc ope.Key words :　optical measurement ;micro -m achined gyroscope ;natural frequency ;quality factor ;digital c orrelation ;temporal series image1　引言近年来,由于微加工技术的进步,微惯性器件的研究得到快速发展。

硅微机械振动陀螺零偏温度补偿研究

第21卷　第3期2008年3月传感技术学报CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORSVol.21　No.3MAR.2008R esearch on Bias T emperatu re C ompens ation for Microm achined V ib ratory G yroscope 3C H EN G L on g ,W A N G S hou 2rong3,Y E Fu(S chool of I nst rument Science and Engi neeri ng ,S out heast Uni versit y ,N anj ing 210096,China )Abstract :Based on lot s of environmental temperat ure experiment data of t he micro machined vibratory gy 2ro scope ,a bias temperat ure compensation model is established according to t he experiment data.The p re 2casting compensation is performed to t he new experimental data ,and t he result s of compensation show t hat it s bias is reduced to one tent h of t he original.K ey w ords :micro machined vibratory gyro scope ;bias ;temperat ure compensation EEACC :2575;7630硅微机械振动陀螺零偏温度补偿研究3程　龙,王寿荣3,叶　甫(东南大学仪器科学与工程学院,南京210096)基金项目:国家863项目资助(2002AA812038)收稿日期:2007209230 修改日期:2007212229摘　要:在对某型硅微机械振动陀螺进行大量高低温环境试验的基础上,根据试验数据,建立了一种零偏温度补偿模型,并用该模型对新测的试验数据进行了预测补偿。

微机械陀螺仪报告

微机电系统设计学读书报告--浅谈微机械陀螺仪0 引言陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。

传统的机械陀螺仪由于体积大、成本高、不适合批量生产等因素制约了其在很多方面的应用。

在科技发展的推动以及市场需求的牵引下，陀螺仪正朝着高精度、高可靠性、微型化、多轴测量和多功能测量的方向发展。

随着MEMS技术的发展，MEMS微细加工工艺在惯性器件制作中的应用大大减小了陀螺仪的尺寸，降低了生产成本，使其能够在汽车、工业自动化、消费电子等领域得到更广泛的应用。

陀螺仪的发展大致经历了下列几个过程：从20世纪50年代的液浮陀螺仪到70年代的动力调谐陀螺仪(又称挠性陀螺仪，DTG)，从20世纪80年代的环形激光陀螺仪(RLG)、光纤陀螺仪(FOG)到90年代的振动陀螺仪以及目前研究报导较多的微机械电子系统陀螺仪(简称微机械陀螺仪，MEMSG)[1]。

微机械陀螺仪在军事领域方面的应用尤为重要，如Honeywell最近研究出的GG5300三轴微机械陀螺封装件高度3.3厘米，直径5.0厘米，专为导引头瞄准线稳定、飞行控制、炮塔稳定而设计，已经成功应用于全球鹰无人机上。

微机械陀螺仪属于微电子机械范畴，按材料分可分为硅微陀螺、石英微陀螺、压电陶瓷微陀螺等。

石英材料结构的品质因数Q值很高，陀螺仪特性最好，且有实用价值，是最早商品化的；硅材料结构完整，弹性好，比较容易得到高Q值的硅微机械结构，随着深反应刻蚀技术（DRIE）的出现，体硅微机械加工技术的加工精度显著提高，因此两种材料的微机械陀螺在市场上都有着广泛的应用。

1 微机械陀螺仪硅微机械陀螺仪的结构常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等。

目前世界上研究的石英微机械陀螺按照结构大致可以分为：单端音叉石英微陀螺、双端音叉石英微陀螺、双端固定石英音叉微陀螺、双“Ｔ”型石英微陀螺、双锤头型石英微陀螺和三角型石英微陀螺等。

微机械陀螺仪

概念
微电子机械系统(Micro．Electro—Mechanical Systems，简称MEMS)是微纳米技术研究的一个重要方向，是继微电子技术以后在微尺度研究领域中的又一次革命。MEMS是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成为一体，形成同时具有“传感一计算(控制)—-执行”功能的智能微型装置或系统。
2023/12/29
其中硅基微加工技术，又包括体硅微制造(Bulk Micromaching)、表面微加工(Surface Micromaching)。
பைடு நூலகம்
LIGA技术
LIGA是德文Lithografle，Galvanofomung，Abformun93个词，即光刻、电铸及进塑的缩写。
LIGA技术是种基于x射线光刻技术的三维微结构加工技术，主要包括x 光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制3个工艺步骤，与其它立体微加工技术相比．LIGA工艺具有如下特点：
在表面微机械加工工艺中，机械加工层越多可制造的微型机械越复杂，功能越强大，但是微型元件的布局问题、平面化问题和减小残余应力问题也更难解决。
发展
今后微机械陀螺仪的主要研究内容为：
①进一步研究微机械振动陀螺仪的结构及电路的优化设计，实现惯性级高性能的要求，其中高灵敏度、低噪声、低漂移和大动态范围的测试电路是提高微机械陀螺仪的关键所在； ②研究微机械振动陀螺仪的体加工和表面加工技术； ③研究电路的模块设计及加工技术： ④完善微机械振动陀螺系统的封装及测试标定。
比较
所有研究开发的硅微机械陀螺仪都是利用振动质量块在柱物体带动旋转时产生的哥氏效应来测量物体旋转的角速度。硅微机械陀螺仪的结构形式要包括两部分．驱动部分和敏感部分。目前，硅微机械陀螺仪常采用的驱动方式有静电驱动、电磁驱动等，检测方式般为电容检测、电磁检测以及压电检测。

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ｔｎｅｉａｔｎｔｕｅｏｃｏｌｔｎｃ，ｅｉｇＵｉ．ＳｍｎｒｓｔｔｆｒｅｃｏｉＢｉｎ — ｏａＩｉＭｉｅｒｓｊ
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图２微机械振动式陀螺仪动力学模型
可见，陀螺仪的灵敏度与驱动电压成正比。与
检测质量块的支撑刚度的３２方成反比，／刚度越小
３微机械振动式陀螺仪灵敏度求解
微机械振动陀螺仪的灵敏度定义为
数，为驱动模态频率。＂物理含义是：阶系ＩＴ的二
式陀螺仪的研制提供动力学参考。
参考文献：
［］格雷戈里ＴＡ．瓦奇．传感器与微执行器全书１．科微［．Ｍ］北京：科学出版社，０５２０．［］许宜申，２王寿荣，盛平．微机械振动陀螺仪闭环驱动电
收稿日期：０７０ —７２０－１７基金项目：上海市教委科研资助项目（６Ｚ１）０ＥＯ８作者简介：孙玉国（９３一）男，１７，山东潍坊人，博士，副教授。
２微机械振动式陀螺仪运动微分方程
微机械振动式陀螺仪的动力学模型如图２所示，在，向上的运动微分方程为它ｙ方
ｄｌｅｕｎｙａｑｅｃｒｆ
近年来，着ＭＥ随ＭＳ（ｃｏＥｅｔ．ｃａｉａＭｉｌｒＭｅｈｎｃｒｃｏｌＳｓｍ，机电系统）术的发展，种利用表面微ｙｔ微ｅ技一加工工艺制备的微型振动式陀螺仪已引起业内的高度关注］。与传统的陀螺仪相比，微振动式陀硅螺仪具有体积小、成度高、集制造成本低等优点。可望在飞机、船及汽车自主式惯性导航系统中得以轮应用Ｊ。硅微振动式陀螺仪的研发涉及微电子学、导体工艺、机构等诸多领域。其中，何提半微如
摘要：微机械振动式陀螺仪在飞机、轮船的惯性导航系统中有重要应用。介绍微机械振动式陀螺仪的工作
原理。给出其运动微分方程。推导谐振幅值相对于转动角速度的灵敏度表达式。分析表明：谐振状态下哥氏力与静电力成正比，与驱动模态频率成反比。减小检测质量块的刚度可提高陀螺仪的灵敏度。
厶
（５）
论： ①当驱动模态频率等于敏感模态频率时，陀螺仪的灵敏度取得最大值。②灵敏度与静电力幅值成正比。③与检测质量块的支撑刚度的３２／方成反比，
刚度越小灵敏度越高。本文的研究可为微机械振动
式中，为静电力幅值，为向的品质因ＦＱ
给出。
Ｙ（＝Ｑｉ，詈（ｍｙ（）８ａ）ｘｓ一ｎ）
式（）７代入式（）６一（）８得
）＝
Ｚ
ｓ一）（ｉ号９ｎ（）
式（）人式（），微机械谐振式陀螺仪的９代４式得
灵敏度
Ｓａ： — — ｒｍｘ： —
为
４结语
微机械振动式陀螺仪在飞机、船的惯性导航轮中有广阔的应用前景。微机械振动式陀螺仪的研制具有明显的多学科交叉的特点。本文仅从振动力学的角度，对其灵敏度进行了理论分析。得到如下结
）ｉ一Ｔ＝ｎ）（＂Ｉ
的静电力的激励下，内框架和外框架组成的检测由
图１微机械振动式陀螺仪机械结构示意图
质量块ｍ沿轴做简谐振动，振动位移为。若ｍ同时绕ｚ轴旋转，旋转角速度为。则在ｙ轴上产
生哥氏力，（ｏｉｌｏｃ）ＣｒｉＦｒｅｏｓＦ＝２巩
关键词：动与波；机械陀螺仪；振微灵敏度；惯性测量；模态频率中图分类号：Ｈ３Ｔ７文献标识码：Ａ
ＳｅｉｉｉｙＳｌｔｏｏｉｒａｈｎｉｇＲｅｏｎｅＧｙｏｃｐｎｓｔｖｔｏｕｉｎｆａＭｃｏＭｃｉｎｓｎａｃｒｓｏｅ
度，驱动模态频率为３Ｈ，感谐振幅值可提高其ｋｚ敏
到向的振动幅值（测梳ｌｌｙ，检
齿的振幅）。力为绕ｚ轴的角速度。微机械陀螺仪
动力学设计的基本要求是提高灵敏度，后续信号为
Ａｂｓｒｃ：Ｍｉｒｍａｈｎｎｅｏａｃｒｓｏｅｈｖｉｏｔｎａｐｉａｉｎｉｔｉｃａｔｎｔａｔｃｏｃｉｉｇｒｓｎｎｅｇｏｃｐｓａｅｍｐｒａｔｐｌｃｔｏｓｎｈｅａｒｒｆｓａｄｙｓｉｓｎｒｉｌｎｖｇｔｏｙｔｍ．Ｔｈｐｙｉａｒｎｉｅｆｔｅｍｉｒｍａｈｎｎｅｏａｃｒｓｏｅｉｈｐｉｅｔａａｉａｉｎｓｓｅｅｈｓｃｌｐｉｃｐｌｏｈｃｏｃｉｉｇｒｓｎｎｅｇｏｃｐｓｙｉｔｏｕｅｎｒｄｃｄ，ａｄｔｔｏｆｒｎｉｌｅｕｔｏｓｅｔｂｉｈｄ．Ｔｅｓｔｉｆｒｓｎｎｃｍｐｌｕｅｔｎｈｅｍｏｉｎｄｉｅｅｔａｑａｉｎｉｓａｌｓｅｆｈｅｓｎｉｖｔｏｅｏａｅａｉｙｉｄｏｔａｇａａｅｉｅｉｅｎｕｌｒｒｔｓｄｒｖｄ．ＴｈｔｄｅｕｔｈｗｈｔｔｅＣｏｉｌｓｆｒｅｉｈｅｓｔｅｄｒｃｉｎｉｒｐｒｅｓｕｙｒｓｌｓｓｏｔａｈｒｏｉｏｃｎｔｅｓｎｉｉｉｅｔｓｐｏｏ－ｖｏｔｎｌｔｈｌｃｒｓａｉｏｃｉａｏｔｅｅｅｔｏｔｔｆｒｅ，ａｄｉｅｓｒｐｒｉｎｌｔｈｒｖｎｍｏｌｆｅｅｙｏｈｅｅｔｏｃｎｎｖｒｅｐｏｏｏａｏｔｅｄｉｅｄａｑｕｎｃｆｔｅｄｔｃｉｔｒｎｇｍａｓＴｈｏｒｓｉｎｓｆｔｅｄｔｃｎｓｓ．ｅｌｗｅｔｆｅｓｏｈｅｅｔｇｍａｓ，ｔｅｈｇｅｅｓｔｖｔｆｔｅｇｒｓｏｅ．ｆｉｈｉｈｒｓｎｉｉｙｏｏｃｐｉｈｙＫｅｒｓ：ｉｒｔｎａｄｗａｅ；ｍｉｒ — ｃｉｉｇｇｒｓｏｙｗｏｄｖｂａｉｎｖｏｃｏｍａｈｎｎｙｏｃｐｅ；ｓｎｉｖｔｅｓｔｉｉｙ；ｉｅｉｌｍｅｓｒｍｅｔｎｒａａｕｅｎ；ｎｏｔ－
检测与放大电路设计提供便利。为提高灵敏度，可采取以下动力学措施：质量块ｍ在方向处于谐 ① 振状态，以便哥氏力Ｆ取最大值。②质量块ｍ在ｌ，向处于谐振状态，以便获得最佳的动力学放大因子。质量块ｍ在向处于谐振状态时的振动位移
ＳＵＮｕｇｕＹ－ｏ
（ｎｔｕｅｏｒｃｓｎＩｓｕｅｔＵｉｅｓｙｏｈｎｈｉｏｃｎｅＩｓｔｔｆｅｉｏｎｔｍｎ，ｎｖｒｉｆａｇａｆｒｉｃｉＰｉｒｔＳＳｅａｄＴｃｎｌｙｈｎｈｉ００３，ｈｎ）ｎｅｈｏｇ，Ｓａｇａ２０９Ｃｉａｏ
ｓ＝（）４
灵敏度越高。在工程实际中，由于制造工艺的缺陷，
很难保证陀螺仪的驱动模态频率刚好等于敏感模态频率。美国Ｆｌｄｏｉａ大学开发的一款振动式陀螺ｒ仪］利用反应离子刻蚀（ＲＥ）艺降低支撑刚，ＤＩ工
在哥氏力的激励下，质量块沿ｌ向做同频强迫，振动，引起检测梳齿电容的变换。电容的变换可由
专门的信号处理电路检测到。由于哥氏力与旋转角
速度成正比，只要检测出哥氏力的大小就可得到物体绕ｚ轴的旋转角速度。
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微机械振动式陀螺仪灵敏度分析
文章编号：０６—１５（０８００６０１０３５２０）３— １７— ２
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微机械振动式陀螺仪灵敏度分析
孙玉国
（上海理工大学光学与电子信息学院精密仪器研究所，上海２０９）００３
声
与
振
动
控
制
第３期
式中，ｋ，，ｃ，分别为检测质量块的质量ｍ，ｋ，ｃ
得质量块ｍ在＇向处于谐振状态时的振动位，移为
以及，，ｌ向的刚度与阻尼。ｓ（ｔ为驱动梳齿ｉｃ）ｎｏ的静电驱动力。式（）３中右边为哥氏力，由式（）可１