硅微阵列陀螺仪的仿真、设计与测试
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。
双线振动硅微机械陀螺仪数字化测控技术研究的开题报告
双线振动硅微机械陀螺仪数字化测控技术研究的开题报告一、研究背景随着科技水平不断提高，越来越多的高精度惯性导航系统被广泛应用于军事、航空和导航等领域。
其中，微机械陀螺仪因其具有体积小、重量轻、功耗低、精度高等优点而备受关注。
双线振动硅微机械陀螺仪采用双线振动结构，利用压电材料的特性实现微小振动，通过测量振动参数变化，进而实现角速度的测量。
因其结构简单、制造工艺成熟，已成为当前研究重点。
二、研究内容本项目旨在开展双线振动硅微机械陀螺仪数字化测控技术研究，具体任务如下：1. 基于双线振动硅微机械陀螺仪的结构参数和工作原理，建立数学模型，分析其动态特性和输出响应规律。
2. 设计双线振动硅微机械陀螺仪数字化测控系统，包括传感器电路、信号处理器和数字化控制器等模块，实现双线振动硅微机械陀螺仪的控制和数据采集。
3. 进行系统测试与实验研究，通过对双线振动硅微机械陀螺仪的输出信号进行分析，验证数字化测控系统的有效性和性能指标。
四、研究意义本项目的研究成果将对微机械陀螺仪领域的研究和应用具有重要意义：1. 实现对双线振动硅微机械陀螺仪的数字化测控，提高了其数据采集和精度测量能力，推动了微机械陀螺仪技术的发展。
2. 研究成果可应用于军事、航空、导航等重要领域，为国家安全和发展做出贡献。
3. 研究过程中，设计和实现数字化测控系统需要涉及传感器电路、信号处理器和数字化控制器等领域的开发，有利于推动相关技术的发展。
五、研究方法1. 理论分析法：通过对双线振动硅微机械陀螺仪的结构和工作原理进行分析，推导出计算公式，建立系统的数学模型。
2. 数值模拟法：采用ANSYS软件对双线振动硅微机械陀螺仪的结构进行建模和仿真分析，验证数学模型的正确性。
3. 实验测试法：利用自主开发的数字化测控系统，对双线振动硅微机械陀螺仪进行实验测试，并记录数据，分析结果。
六、预期成果1. 完成双线振动硅微机械陀螺仪数字化测控系统的设计和实现。
2. 建立数学模型，分析其动态特性和输出响应规律。
旋转体自身驱动的硅微机械陀螺
［ 键词 ］ 硅；各向异性腐蚀；角速度；仿真器 关 ［ 中图分 类号 ］ Ｔ２２１ Ｐ１． ［ 献标 识码 ］ Ａ 文 ［ 文章 编 号］ １ ９ １ ２（ ｏ ） ８ ０２ — ５ ０ — ７ ２ ６ ０ — ０３ ０ ０ ４ ０ 度旋 转 的 同时 又 以 角 速 度 俯 仰 或 偏 航 时 ，硅 摆 受 到周 期性变 化 的哥 氏力 （ 氏力的频 率是 载体旋 哥 转的频 率 ）作 用 ，使 硅 摆 产 生 沿 ｏ， 的 角 振 动 ， ，轴
维普资讯
２０ ０ ６年 ８月 第 ８卷第 ８期
中国工 程科学
Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｃｅ ｃ ｇｎ ｅ ｉｇ８ Ｎｏ． ８
哮 瓷 文 朱
旋转体 自身驱动 的硅微机 械陀螺
张福 学 ，毛 旭 ，张 伟
由受 迫 作 用 力 决 定 ，它 的频 率 为 受 迫 力 的 激 振 频
率 ，其 振动振 幅 不仅 和激振 力有 关 ，还 和激 振频率 及 振 动系统 的参 数 ． ，． ，． ，Ｋ ，Ｄ有 关 。方 程 ， ， ， ：
图 ２ 信 号检测 电路 原理 图
Ｆ ｇ． Ｐ ｉ ｃｐｅ ｏ ｉｎａ ｅｅ ｔ ｇ ｃｒ ｕ ｔ ｉ ２ ｒｎ ｉｌ ｆｓｇ ｌｄ ｔｃｉ ｉｃ ｉ ｎ
在 方程式 （ ）中 的频率 只与 有 关 ，输 出 的 ５
幅值 不仅 与输 入角 速 度 ｎ 有 关 ，还 和 载 体旋 转 角 速度 有 关 。 由此 设 计 的信 号 检 测 电路 包 含 频 率
的稳态 解为
口 ＝ Ｂ ｏ ｆ ）＝ ｃ ｓ（ ～
硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的模型分析
硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的模型分析
硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的模型分析
通过硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的结构示意图,介绍了该陀螺仪的工作特点.利用牵连运动的加速度合成定理和牛顿力学定律,通过力学分析和数学演算得到了该陀螺仪的活动质量的加速度表达式,并给出了该陀螺仪的数学模型.在陀螺仪做各坐标轴方向的转动和作一般转动的情况下,对数学模型进行了求解,最后利用方程的解分析了陀螺仪是如何工作的、各种情况下该陀螺仪工作的差别、各坐标轴方向的转动对陀螺仪工作的不同影响.
作者：范崇金罗跃生 LUO Yue-sheng FAN Chong-jin 作者单位：范崇金,LUO Yue-sheng(哈尔滨工程大学理学院,哈尔滨,150001) 罗跃生,FAN Chong-jin(哈尔滨工程大学理学院,哈尔滨,150001;四川大学数学学院,成都,610064)
刊名：四川大学学报（自然科学版）ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY (NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)：2006 43(4) 分类号：V241.5 关键词：硅微型陀螺仪加速度合成定理牛顿力学定律。
硅微振动陀螺仪设计与性能测试
中图分类号 ： Ｖ２ ４ １ ． ５ ： Ｖ６ ６ ６ ． １ ２ ３
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｐ ｅｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｄ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｇ ｙ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｅ
硅 微 振 动 陀 螺 仪 设 计 与 性 能 测 试
贾方秀 ， 裘安萍， 施 芹， 苏 岩
（ 南京理工大学 ＭＥ ＭＳ惯性技术研究中心， 江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ４ ）
摘要 ： 介绍 了基 于 Ｄ ＤＳ Ｏ Ｇ（ Ｄ ｅ ｅ ｐ Ｄ ｒ ｙ Ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ Ｏｎ Ｇ ｌ ａ ｓ ｓ ）工 艺 自主 研 发 的 硅 微 振 动 陀 螺 仪 的 结 构 ， 封装 ， 及 信 号 与 性
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 。 关 键 词： 硅 微 振 动 陀螺 仪 ； 真 空封 装 ； 自激 驱 动 ； 温 度 补 偿 文献标识码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ７ ８ ８ ／ Ｏ Ｐ Ｅ ． ２ ０ １ ３ ２ １ ０ ５ ． １ ２ ７ ２
ｐａ ｃ ｋ ａ ｇｉ ｎ ｇ，ｓ ｉ ｇ ｎａ ｌ ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎｔ ｗｅ ｒ ｅ ｄｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂｅ ｄ ． Ｔｈｅ ｄ ｕａ ｌ － ｍａ ｓ ｓ Ｍ ＥＭ Ｓ ｖ ｉ — ｂｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｇｙ ｒ ｏｓ ｃ ｏ ｐ ｅ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇｎｅ ｄ ｂｙ ａ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ｅ — ｄｅ ｃ ｏ ｕｐ ｌ ｅ ｄ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ａ ｎｄ ｐｒ ｅ ｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｂｙ ｔ ｈｅ Ｄｅ ｅ ｐ Ｄｒ ｙ Ｓｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ Ｏｎ Ｇｌ ａ ｓ ｓ（ ＤＤＳＯＧ） ． Ｔｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｅ ｎｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ， ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ａ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ，ｔ ｈｅ ｇｙ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐｅ ｗａ ｓ ｐ ａｃ ｋａ ｇｅ ｄ ｂ ｙ ｖ ａ ｃ ｕｕ ｍ ｔ ｅ ｃ ｈｎ ｏｌ ｏ ｇｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｍ ｏ ｎ ｍｏ ｄｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｕｒ ｂａ ｎｃ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄ ｂｙ ａ ｘｉ ａ ｌ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗａ ｓ ａ ｌ ｓ ｏ ｅ ｌ ｉ ｍｉ ｎ ａ ｔ ｅ ｄ．Ａ ｓ ｅ ｌ ｆ － ｒ ｅ ｓ ｏ ｎａ ｎ ｃ ｅ ｄｒ ｉ ｖ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｗｉ ｔ ｈ Ａｕｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ Ｇａ ｉ ｎ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏｌ（ ＡＧＣ）ｗａ ｓ ｅ ｍｐｌ ｏ ｙ ｅ ｄ
硅微型陀螺仪
硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪硅微型振动陀螺仪在工作时，用微幅振动代替高速旋转硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的工作原理：结构图如图所示：机械部分由基座，提供驱动力的定齿，动齿，活动质量和连接活动质量的弹簧，固定弹簧的固定端组成。
固定端和定齿都固定在基座上，活动质量由弹簧连接在固定端上。
动齿固定在活动质量上。
该陀螺仪采用静电驱动技术，给固定在基座上的定齿梳状电极上加载带直流偏执的交流电压，活动质量上的动齿接地。
这样动、静齿间便产生大小和方向周期性变化的静电吸引力，使整个活动质量和动齿一起在两定齿之间来回振动，此时若基座在惯性空间中作转动，由于哥氏力的作用，活动质量将在垂直于基座的方向上振动，这样就可敏感基座相对于惯性空间转动的角速度。
建坐标系：取将动作标系固连在硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的基座上，取动作标系的原点为活动质量质心的平衡位置，x轴为静电驱动力的方向，z轴为与基座垂直的方向，y轴由右手规则确定。
（1）只做x轴方向的转动时的结论：1.该方向上的角速度不能测量；2.随着静电引力的振动频率的增大，活动质量的振动的振幅会大大减小，该陀螺仪的灵敏度会降低。
3.x轴方向的角速度不能大于根号内K/m，否则陀螺仪将被损坏。
陀螺仪损坏的临界值随尺寸的降低而迅速增加。
（2）只做z轴方向的转动时的结论：不能测量该方向上的角速度。
（3）陀螺仪的基座在y轴方向的转动角速度近似地与活动质量在z轴方向的这一振动频率为ω的振动的振幅成正比。
比例系数为2δ/(mω3)小结：该陀螺仪对y轴方向的角速度最敏感，即应当它作为输入量，把y轴作为输入轴。
而对其影响最强烈的是活动质量在z轴方向频率为ω的振动的振幅，它可以作为输出量。
而静电引力的振动频率充分大时，该输出量与输入量接近于正比关系。
总结：1.单轴角速度计；2.y轴方向上的角速度旋转与z轴的某固定频率振动下的振幅成正比。
振动轮式微机械陀螺仪振动轮式微机械陀螺仪的结构示意图如图外框架由挠性轴与驱动轮连接,它相对于驱动轮只能作沿挠性轴方向(即y w方向)的转动,其转动角用φ来表示,，如图：驱动轮由支柱与基座连接,它相对于基座只能作支柱方向(即Z b方向)的转动其转动角用θ来表示,如图振动轮式微机械陀螺仪采用静电驱动技术,给固定在基座上的固定梳状电极上加载带直流偏置的交流电压,驱动轮上的动齿接地。
硅微陀螺正交校正结构设计与试验
摘 要 ：为从 源头上 消 除硅 微 陀螺 的正 交误 差 ， 采 用 静 电修调 方 法 ， 研 究正 交校 正 结 构设 计 问题 ．
（ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ — Ｉ ｎ ｅ ｒ ｔ ｉ ａ ｌ ｎｓ Ｉ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ Ａｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ Ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｍｉ ｎ ｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｓ ｏ ｕ ｈｅ ｔ ａ ｓ ｔ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｎａ ｎｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ９ ６， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔｏ ｅ ｌ ｉ ｍｉ ｎａ ｔ ｅ ｑ ｕ ａ ｄ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｏ ｆ ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ｍｉ ｃ ｒ ｏ－ ｇｙ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｅ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ，ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｔ ａ ｉｃ ｔ ｔ ｉｍ — ｒ ｉ ｎ ｍ ｇ ｉ ｓ ｅ ｍｐ ｌ ｏ ｙ ｅ ｄ ａ ｎｄ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｓ ｓ ｕ ｅ ｓ ａ ｂｏ ｕ ｔ ｑｕ ａ ｒａ ｄ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｒｅ ｃ ｉ ｔ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｄ． Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｎａ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｒｏｓ ｔ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｔ ｒ ｉ ｍｍｉ ｎ ｇ ｐ ｉｎ ｒ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ， ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｕ ｎ ｄ ａ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ ｐａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｉｏ ｔ ｎ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕｓ ｓ ｅ ｄ．Ａ ｌ ａ ｙｏ ｕｔ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ｅ ｌ ｉ ｉ ｎ ｍ ａ ｔ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｉｎ ｒ ｇ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｔ ａ ｔ — ｉ ｃ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｓ ｎｄ ａ ｐａ ｒａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｐ ｔ ｉ ｉ ｚ ｍ ａ ｉ ｔ ｏｎ ｗａ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｔ ｏ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖｅ ｔ ｈｅ ｒｅ ａ ａ ｕｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ． Ｆ ｏ ｒ ａ
微机电陀螺系统的仿真建模与优化
微机电陀螺系统的仿真建模与优化近年来，微机电（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术在各个领域得到广泛应用，其中之一便是微机电陀螺（MEMS gyroscope）系统。
微机电陀螺系统具有体积小、功耗低、响应速度快等优点，在导航、无人驾驶、航天等领域有着巨大的应用前景。
然而，要使微机电陀螺系统具备更高的精度和稳定性，首先需要进行仿真建模与优化。
一、微机电陀螺系统的工作原理微机电陀螺系统是基于陀螺效应的旋转速率测量装置。
其主要由感应结构和测量电路两部分组成。
感应结构内包含一个惯性转动部件，当系统进行旋转时，惯性转动部件会受到转动力矩的作用，从而发生旋转；测量电路则测量感应结构旋转产生的信号，从而得到待测目标的角速度。
二、仿真建模的意义与方法仿真建模是对系统工作原理进行模拟与演算，通过计算机软件对待测系统的性能进行预测和分析。
微机电陀螺系统的仿真建模可以帮助优化设计，提前发现潜在问题，避免实际制造过程中的不必要成本和时间浪费。
常见的仿真建模方法包括有限元分析法和计算流体力学法。
三、优化设计的主要方向微机电陀螺系统的优化设计主要包括以下几个方向：1. 提高灵敏度：通过优化双层结构、增大面积、改进布局等手段，提高微机电陀螺系统的灵敏度和精度。
同时，合理设计感应结构的刚度和质量分布，降低内部噪声和非线性现象。
2. 降低功耗：优化功耗可以延长系统续航时间，降低维护成本。
通过降低电路中的损耗、减小惯性转动部件的惯性力矩等手段，达到降低功耗的目的。
3. 提高稳定性：通过优化材料选择、改善传感器加工工艺、降低温度偏差等手段，提高微机电陀螺系统的稳定性和可靠性。
此外，减小外界干扰、优化信号处理算法等也有助于提高稳定性。
四、仿真建模与优化案例以一款微机电陀螺系统的设计与优化过程为例，该系统主要应用于无人驾驶汽车。
首先，利用有限元软件对微机电陀螺感应结构进行建模，并进行转矩分析，得到初始转矩曲线。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
３４００
相且上下运动也反相，固有频率匹配较好。第９阶
驱动模态与第６阶检测模态对应．４个质量块左右 运动反相『ｆｌｉ上下运动同相。经过结构参数的调整，
从图５可以看出．驱动模态的谐振频率分别 ２６印Ｈｚ、２９７０ Ｈｚ和３２００ Ｈｚ，驱动扫频曲线有３个 峰值。说明驱动模态存在３个振型．且同频反相振动 幅值远大于同频同相振动的幅值。扫频实验中驱动 模态有３个谐振峰．而仿真结果有４个谐振峰，造成 此现象的原冈是仿真中第８阶和第９阶驱动模态的 偕振频率相差较小．由于加Ｔ误差的影响，使得实际
第２５卷第１期 ２０１２年１月
传感技术学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡｌ。ＯＦ ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ
Ｖ０１．２５
Ｎｏ．１
Ｊａｎ．２０１２
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｔｅｓｔ ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｉｃｒｏ－Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ Ａｒｒａｙ＋
ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎｑｉａｎ９１”，ＹＡＮＧ Ｂ０１，Ｌｌ ｊｉｎ９１，ＷＡＮＧ Ｓｈｏｕｒｏｎ９１。
图１硅微阵列陀螺仪的结构简图
此结构在设计方面有如下特点：（１）采用半解 耦的结构解决非线性振动问题，在降低结构复杂度
：蠡鸾： 肇基：
蕊蕊：Ｉ 警罄：：
竺鼍墨！垒！！堂一ｊ
ｆ９）第９阶
图３
鍪蜜。
警露
的同时减少了两个模态之间的耦合；（２）质量块、驱
动和检测支承粱完全相同且对称分布，降低了加Ｔ 误差和温度变化对陀螺性能的影响。
熬鬻 ‘遴：越ｉ■池
嚣黧 涵鏊
嚣纛ｑｊ
‘！—一
蕊曩’
ｆ４）第４阶ຫໍສະໝຸດ ｂ—一。霉霉． 生！！婴如！型竺塑生
窝。
ｌ凶，＾，２｛ｄ砧七议，ｊ ｊｄ训“‘内．４拈出“Ｌ幽某．）饭粜， ６．检测质量块：７检测电极；８．检测梳齿及梳齿架：９折叠粱
蛳－”型哮鼍刊！竺！坚
（６）第６阶 鼍面ｉ崎磊弓赢五咔呵１
囊基： 窝藏：
第２５巷
ＧＮ／ｍ２
陀螺仪的结构进行了分析，并利用Ａｎｓｙｓ有限元分 析软件进行了计算和仿真，确定了阵列陀螺仪结构
的８阶振型和同有频率．最后对加Ｔ出的硅微阵列 陀螺仪样品进行了测试。
量Ｅ＝１ ３０
ｗｎ－Ｔ—．｜・＿・・—Ｔ＿＿——ｌ＿＿＿Ｔ［㈨．伊
－ ＿
’、
１结构方案设计
由于采用四个单质量陀螺构成阵列时各陀螺之 间的相关性较小且模态复杂。本文设计的硅微阵列陀
（１．Ｋｅｙ
Ｌａ６０ｒｎｔｏｒｙ
ｏｆＭｉｃｒｏ—ＩｎｅｒｔｉａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
ａｎｄＡｄｖａｎｃｅｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ
ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６。Ｃｈｉｎａ；
（２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅａｒｏｎｗ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００９，Ｃｈｉｎａ）
质量块构成。采用半解耦结构设计，结构完全对称，驱动模态和检测模态的频，卒匹配性好。分析了硅微阵列陀螺仪的结构和 工作原理，并利用ＡＮＳＹＳ有限元软件进行了结构仿真，通过调节结构参数实现了各驱动模态与敏感模态固有频率的匹配。对 阵列陀螺仪样品进行了测试，实验测试结果表明，驱动模态存在３个振型，『司频反相振动的幅值最大，与仿真结果一致。
网３中第１阶模态为４个质量块运动全部同牛甘 的驱动模态，第２阶模态为其对应的检测模态；第３ 阶模态为另一种驱动模态．４个质量块左右运动同 相而上下运动反相，第４阶模态为其对应的检测模 态：第５阶模态为阵列陀螺沿ｚ轴方向的运动．为十 扰模态．第８阶模态为第３种驱动模态，对应的检 测模态为第７阶模态．其４个质量块的左右运动反
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏ—ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ａｒｒａｙ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ＡＮＳＹＳ ＥＥＡＣＣ：７６３０
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｃａｎｎｉｎｇ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４一１６９９．２０１２．０１．００６
第２５卷
２］Ｄａｖｉｄ
Ｓ Ｂ．Ｓｃｏｕ Ｒ Ｐ
Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ
Ｇｙｒｅｓｅｏｐｅ Ｏｕｔｐｕｔｓ ｆｏｒ
［７］殷勇，ｔ寿荣，王存超．等．结构解耦的双质最微陀螺仪结构方 案设｜十与仿真［Ｊ］东南大学学报（自然科学版），２０（１８，３８
（５）：９１８－９２２．
Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ 一２３０５３３
Ｔ作模态与其他干扰模态保持了适当的隔离。从表
１的同有频率来看．实际陀螺的驱动工作模态选择 模态ｌ或模态８较好，既完成了驱动和检测模态的 匹配．同时又保证了一定的带宽 ３
Ｊｊｎ－ｒ
硅微阵列陀螺仪利用体硅加工Ｌ艺…ｏ“”完成．
测试中这两个模态的峰值近乎重叠。
对１～５号陀螺样品进行了驱动模态的测试．测 试结果见表２．不Ｉ－１样品的相同模态问的谐振频率 差异较小、同时对陀螺的检测模态进行测试后发现 敏感谐振频率与驱动频率基本匹配．满足设计要求． 对阵列陀螺的进一步测试正在进行之中，
试，实验结果与仿真结果基本吻合。
参考文献：
【ｌ Ｊ李荣冰．刘建业，曾庆化．等基］：ＭＥＭＳ技术的微型惯一件导航 系统的发展现状［Ｊ］中罔惯性技术学报，２００４．１２（６）：８８—９４
检测的方法。信号发生器产生的正弦信号以及经过 万方数据
传感技术学报
３２
ｗｗｗ
ｃｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ．ＣＯｒｎ
结构方式分别将４个陀螺组成一个阵列来测量同一
个角速度，动态测量范围为１０００／ｓ，具有较高的信 噪比¨】。国内的两北工业大学和哈尔滨工程大学 利用单独的ＭＥＭＳ陀螺构成陀螺阵列。应用数据融 合技术提高了精度［４－５ｊ。 本文设计了一种新的硅微阵列陀螺仪。对阵列
万方数据
传感技术学报
ＷＷＷ．ｃｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ．ｃｏｒｎ
图２阵列陀螺的简化模型
进行模态仿真ｍ９１后．提取了硅微阵列陀螺仪 前９阶的频率和振型，如图３和表１所示。
动梳齿架的两边均设计有驱动梳齿和电极。并分别通
过４个折叠梁与检测质量块连接；驱动梳齿电容采用 变重叠面积方式．活动梳齿与固定梳齿之间为滑膜阻 尼。检测质量块两边加工有可动梳肯，与检测梳齿架 上的同定检测梳齿构成变间距的差分电容。
螺仪由两个双质量双线振动陀螺仪”。】组合而成，同 时采用折叠梁来实现解耦设计。南于全解耦方案需
要４８根折卺梁．而半解耦方案只需１６根折叠梁．综
■
口一目 目一曩
Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ
■
Ｉ
Ｉ
合考虑加ＴＴ艺、成品率等因素．硅微阵列陀螺仪采
用了半解耦方案。图１为采用半解耦结构的硅微阵 列陀螺仪的结构简网。由锚点、驱动梳齿、检测梳齿、 电极、驱动梳齿架、检测质量块和支承梁等组成。驱
硅微机械陀螺仪具有体积小、成本低等优点，在
许多领域具有广泛的应用价值。但精度较低限制了
其应用场合，因此，提高精度成为硅微机械陀螺仪研
究的重点和难点…。硅微陀螺仪性能的好坏主要
取决于其设计质量、加工质量、测控电路的质量和封 装质量，但也与测试处理方法有关。采用恰当的方 法对硅微陀螺仪信号进行处理，往往起到事半功倍 的效果。硅微陀螺的一个很大优点是适宜于大批量 生产。同时，它的一个显著特点是硅微陀螺可以采 用灵活的集成化制造技术。将多个硅微陀螺集成在 同一个芯片上。构成硅微陀螺阵列，通过阵列中各硅 微陀螺的测量，对同一外界信号进行冗余检测。运用 适当的同质传感器的数据融合方法，将硅微陀螺仪 阵列的输出信号和被测角速度综合成一个虚拟陀螺
ｍｏｄｅ
ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｅ ｈａｓ ｔｈｒｅｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｙｐｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ
ｏｎｅ
ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｖｅｒｓｅｄ ｐｈａｓｅ
ｉｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ
ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｎ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ
ｔｏ
ｉｍｐｒｏｖｅ
ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏ—ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，ａ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｎｅｗ
Ｍｉｃｒｏ—ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ
ｒｅｓｏｎａｎｔ
Ａｒｒａｙ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｆｕｌｌｙ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｈａｌｆ－ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｑｕａｄ—ｍａｓｓ ｑｕｅｎｃｉｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｍｏｄｅ ａｎｄ
亭竺竺壹竺！！！≥脚＾ｊ
２有限元仿真
硅微阵列陀螺仪的简化模型如图２所示，网格 划分后进行模态分析．采用单晶硅材料，仿真参数为 密度ｐ＝２
３３ｘ１０３
ｋｇ／ｍ３，泊松比弘＝０．０２７，弹性模
ＡＮ‘Ｖｑ仿直蛙果
万方数据
第ｌ期
张印强，杨波等：硅微阵列陀螺仪的仿真、设计与测试
表ｌ陀螺的固有频率
３１
反向放大器反向后的信号通过阻容耦合与直流电压 叠加产生一对差分信号Ｐ。±Ｖ ｓｉｎ（ｔｏｔ）施加到陀螺的 驱动电擞．南前置放大器提取驱动振幅信号．波峰值 表征了振动幅度．通过扫频实验得到的硅微阵列陀 螺仪的驱动模态谐振特性曲线如图５所示。
Ａｃｃｕｒａｃｙ［Ｒ］ＮＡＳＡ ＪＰＬ
Ｐ戤ａｄｅｎａ．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ．２００３
Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｐｏｒｔ ＮＰＯ
３］Ｋｉｍ
Ｓｅｏｋｙｕ。Ｉｆｅ ｗｉｔｈ
Ｂｙｅｕｎ ｇｌｅｕｌ，Ｌｅｅ Ｊｉｍｎｙｅｏｐ，ｅｔ Ｂｅａｍ