【摘要】：MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)諧振陀螺是一種測(cè)量角速度的傳感器,具有成本低、功耗低、體積小、可大規(guī)模批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。無論是消費(fèi)電子、汽車電子等民用領(lǐng)域,還是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)、制導(dǎo)彈藥等國(guó)防軍事領(lǐng)域,具有廣泛應(yīng)用。然而,一方面,由于陀螺制造工藝和材料工藝的問題,振動(dòng)陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)間往往存在模態(tài)不匹配,從而影響到兩種模態(tài)間的能量傳遞,使得檢測(cè)模態(tài)的輸出響應(yīng)過小,這就限制了陀螺的敏感性;另一方面,由于寄生電容的存在,陀螺的驅(qū)動(dòng)端的信號(hào)會(huì)串?dāng)_到檢測(cè)端,這樣一種電饋通效應(yīng)造成的誤差信號(hào),會(huì)嚴(yán)重影響到陀螺檢測(cè)模態(tài)的輸出信號(hào),造成陀螺零偏穩(wěn)定性和精確的下降。此外,陀螺結(jié)構(gòu)和質(zhì)量塊的不對(duì)稱性,也會(huì)導(dǎo)致誤差信號(hào)的產(chǎn)生,從而影響陀螺測(cè)量角速度的精確度。針對(duì)上述問題,首先,構(gòu)建質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的分析模型,分析了靜電力中的靜電負(fù)彈簧效應(yīng),即軟化效應(yīng)。其次,以理論推導(dǎo)和系統(tǒng)建模方式,分析上述誤差造成的影響并提出解決方案。針對(duì)陀螺不對(duì)稱性造成的不等彈性,可以使用相干解調(diào)法;針對(duì)阻尼不對(duì)稱性,可以使用結(jié)構(gòu)解耦和糾偏法;針對(duì)電饋通效應(yīng)和模態(tài)間能量傳遞問題,以MEMS環(huán)式陀螺為研究載體,推導(dǎo)出包含參數(shù)激勵(lì)法的運(yùn)動(dòng)方程,并將參數(shù)激勵(lì)法應(yīng)用到陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)中,通過對(duì)陀螺系統(tǒng)中的剛度進(jìn)行靜電調(diào)制和參數(shù)放大的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)電饋通效應(yīng)的抑制和放大驅(qū)動(dòng)模態(tài)的響應(yīng)幅度,從而抑制誤差信號(hào)。通過MATLAB數(shù)值仿真和Simulink數(shù)字化系統(tǒng)建模的方式,發(fā)現(xiàn)改變參數(shù)激勵(lì)信號(hào)的參數(shù)(頻率、幅度和相位),可以改善陀螺系統(tǒng)的品質(zhì)因子和調(diào)整系統(tǒng)諧振頻率,從而在諧和力信號(hào)幅值減小的同時(shí),實(shí)現(xiàn)以一種可控的方式放大陀螺系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模態(tài)的響應(yīng)。最終,陀螺系統(tǒng)的精確度得到改善。
【圖文】：

輸入軸振動(dòng)輸出軸電極振動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸框架結(jié)構(gòu)殼體圖 1-2 第一代框架式陀螺示意圖驅(qū)動(dòng)檢測(cè)F1F2Ω圖 1-3 第一代音叉式陀螺示意圖1993 年，Draper 實(shí)驗(yàn)室成功研制出了第二代 MEMS 陀螺，陀螺結(jié)構(gòu)為音叉式，，這也是世界上第一款音叉式陀螺，如圖 1-3 所示。該陀螺的性能，在 100mTorr 下，驅(qū)動(dòng)模態(tài)[6]的 Q 值為 40000，檢測(cè)模態(tài)的 Q 值為 5000，角度隨機(jī)游走 0.72o/√ ，零偏55o/h，標(biāo)度因數(shù)小于 0.1%。

圖 1-6 密歇根大學(xué)振動(dòng)環(huán)式 MEMS 陀螺示意圖美國(guó)加州大學(xué)歐文分校[15]，通過在結(jié)構(gòu)上增加陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)或者是檢測(cè)模態(tài)的自由度，從而提升陀螺的魯棒性，如圖1-7所示。德國(guó)的IMIT[16]（Institute of Micromachingand Information Technology）對(duì)解耦式陀螺進(jìn)行的了大量的研究，并且成功研發(fā)出了解耦結(jié)構(gòu)的 MEMS 陀螺，如圖 1-8，這種結(jié)構(gòu)的陀螺可以有效降低正交耦合誤差，但是由于支撐梁的數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)工藝的要求也高。美國(guó)德爾福公司[17]研發(fā)一種混合梳齒諧振環(huán)陀螺，該陀螺利用差動(dòng)梳齒結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高測(cè)得信號(hào)的強(qiáng)度，并改善了溫度性能。此外，土耳其中東大學(xué)[18]、美國(guó) JPL 實(shí)驗(yàn)室[19]、瑞士 IMEGO 研究所[20]、德國(guó) Sarland 大學(xué)[21][22]、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校[23]等科研單位對(duì)微機(jī)電陀螺進(jìn)行了廣泛的研究。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN96

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2607406