MEMS陀螺仪误差机理分析及测试方法研究

发布时间：2020-05-27 15:47

【摘要】：陀螺仪是惯性导航系统中的核心惯性敏感器件之一,用来测量载体的角运动信息。微机电陀螺仪相比于传统的陀螺仪具有功耗低、体积小、成本低可以批量化制造等优点,在消费电子、汽车工业、航空航天以及武器装备等领域得到广泛的应用,具有极大的发展潜能和提升空间。然而,微机电陀螺仪是一个复杂的机电耦合系统,在生产制造过程中容易受到各种非理想因素的干扰,最终会降低微机电陀螺仪的工作性能。为了提高微机电陀螺仪的工作性能,从根本上分析各种干扰引入的误差十分必要。本文以无驱动梳齿便于批量化制造的蝶形微机电陀螺仪为研究对象,围绕蝶形微机电陀螺仪的自身误差进行分析。对蝶形微机电陀螺仪的基础理论进行了分析,详细介绍了陀螺仪的敏感结构,推导了工作模态中的驱动力矩和检测力矩,分析了基于简化模型的陀螺仪的稳态响应,分析了电容检测电路和角速度解调电路的工作原理。对蝶形微机电陀螺仪的原理性误差进行了研究,基于具有耗散力的拉格朗日方程建立了蝶形微机电陀螺仪的完整动力学方程,对动力学方程进行了分析、简化和求解,分析了原理性正交误差项与有用信号项的关系。研究了倾斜支撑梁存在的结构性误差对陀螺仪的灵敏度以及驱动力矩的影响。对蝶形微机电陀螺仪的敏感结构误差进行了分析,分析了质量块的误差对工作模态谐振角频率、陀螺仪输出幅值的影响。分析了电极误差中的电极面积不等和电极间隙不等以及装配误差中的线性错位误差和角度错位误差对驱动力矩、差分驱动电容变化量、差分检测电容变化量的影响。基于蝶形微机电陀螺仪的完整动力学方程的稳态响应,提出了针对蝶形微机电陀螺仪的误差模型,设计了测试试验,经过试验得到了误差模型中的各项系数。
【图文】：

输入轴检测质量内框驱动读取电极外框出轴激励电极基座图 1-1 德雷珀实验室的框架式微机电陀螺仪实验室研制出线振动音叉式微机电陀作方式为静电驱动和电容检测，，驱动振动，检测模态运动为两块硅制平板，该微机电陀螺仪的零偏漂移为 0.2°/s]。

a）GG5300 b）HG1900CA50图 1-3 霍尼韦尔公司的微机电陀螺仪和微惯性组合系统亚德诺半导体公司（Analog Devices）在 2002 年研制出一款音微机电陀螺仪，驱动模态和检测模态都是线振动，因此驱动振设计值增大，灵敏度也得到提高。目前该公司研制的微机电陀
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN965

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本文编号：2683761