参数激励法提高MEMS环式陀螺性能的研究

发布时间：2020-03-30 10:09

【摘要】：MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)谐振陀螺是一种测量角速度的传感器,具有成本低、功耗低、体积小、可大规模批量生产的特点。无论是消费电子、汽车电子等民用领域,还是无人作战系统、制导弹药等国防军事领域,具有广泛应用。然而,一方面,由于陀螺制造工艺和材料工艺的问题,振动陀螺的驱动模态和检测模态间往往存在模态不匹配,从而影响到两种模态间的能量传递,使得检测模态的输出响应过小,这就限制了陀螺的敏感性;另一方面,由于寄生电容的存在,陀螺的驱动端的信号会串扰到检测端,这样一种电馈通效应造成的误差信号,会严重影响到陀螺检测模态的输出信号,造成陀螺零偏稳定性和精确的下降。此外,陀螺结构和质量块的不对称性,也会导致误差信号的产生,从而影响陀螺测量角速度的精确度。针对上述问题,首先,构建质量-弹簧-阻尼系统的分析模型,分析了静电力中的静电负弹簧效应,即软化效应。其次,以理论推导和系统建模方式,分析上述误差造成的影响并提出解决方案。针对陀螺不对称性造成的不等弹性,可以使用相干解调法;针对阻尼不对称性,可以使用结构解耦和纠偏法;针对电馈通效应和模态间能量传递问题,以MEMS环式陀螺为研究载体,推导出包含参数激励法的运动方程,并将参数激励法应用到陀螺的驱动模态中,通过对陀螺系统中的刚度进行静电调制和参数放大的方式,实现对电馈通效应的抑制和放大驱动模态的响应幅度,从而抑制误差信号。通过MATLAB数值仿真和Simulink数字化系统建模的方式,发现改变参数激励信号的参数(频率、幅度和相位),可以改善陀螺系统的品质因子和调整系统谐振频率,从而在谐和力信号幅值减小的同时,实现以一种可控的方式放大陀螺系统的驱动模态的响应。最终,陀螺系统的精确度得到改善。
【图文】：

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输入轴振动输出轴电极振动驱动轴框架结构壳体图 1-2 第一代框架式陀螺示意图驱动检测F1F2Ω图 1-3 第一代音叉式陀螺示意图1993 年，Draper 实验室成功研制出了第二代 MEMS 陀螺，陀螺结构为音叉式，，这也是世界上第一款音叉式陀螺，如图 1-3 所示。该陀螺的性能，在 100mTorr 下，驱动模态[6]的 Q 值为 40000，检测模态的 Q 值为 5000，角度随机游走 0.72o/√ ，零偏55o/h，标度因数小于 0.1%。

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图 1-6 密歇根大学振动环式 MEMS 陀螺示意图美国加州大学欧文分校[15]，通过在结构上增加陀螺驱动模态或者是检测模态的自由度，从而提升陀螺的鲁棒性，如图1-7所示。德国的IMIT[16]（Institute of Micromachingand Information Technology）对解耦式陀螺进行的了大量的研究，并且成功研发出了解耦结构的 MEMS 陀螺，如图 1-8，这种结构的陀螺可以有效降低正交耦合误差，但是由于支撑梁的数量多，结构复杂，因此对工艺的要求也高。美国德尔福公司[17]研发一种混合梳齿谐振环陀螺，该陀螺利用差动梳齿结构，能够明显提高测得信号的强度，并改善了温度性能。此外，土耳其中东大学[18]、美国 JPL 实验室[19]、瑞士 IMEGO 研究所[20]、德国 Sarland 大学[21][22]、美国加州大学伯克利分校[23]等科研单位对微机电陀螺进行了广泛的研究。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN96

【参考文献】