微机械陀螺阻尼特性及正交误差抑制研究

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为提高微陀螺的机械品质因子Q值及其检测灵敏度，通常采用真空封装，但是在长期贮存条件下，由于漏率的影响，器件的内部气压变化(漏气是缓慢过程，且不可逆转)会导致器件性能下降甚至失效。因此针对高可靠性应用场合，需研究低Q值微陀螺。

采用低Q值微陀螺方案，可以降低对驱动/检测模态频率匹配的要求程度，因为频率失配通常是由于加工误差造成的，也即降低了工艺要求。但是微加工的相对加工误差大，仍然会产生机械耦合误差，该误差存在于陀螺的输出信号中，即所谓的“正交误差”。为提高器件性能，需要对正交误差进行分析及抑制。

1  低Q值表芯结构设计

为实现结构在常压下驱动模态谐振以及哥氏力检测，设计了变交叠面积的梳齿结构，如图1所示，采用解析及数值模拟方法分析了表芯结构所受气膜阻尼的影响。结果表明，表芯微结构主要受斯托克斯流(stokes flow)阻尼作用，图2显示了各种阻尼的占比，表1给出了具体阻尼系数量值。以驱动幅值为设计约束，综合考虑静电力和阻尼力，对结构优化设计，设计结果为：驱动幅值5 μm，机械品质因子200。

2  正交抑制

如图3所示，采用有限元方法，计算由于工艺误差导致的梁宽不等所引起耦合刚度，结果表明目前工艺条件下的结构耦合刚度约为0.15 N/m。采用图4的抑制结构，可提供1.2 N/m的静电力负刚度，足够抵消耦合刚度。

图5给出了陀螺解调电路框图，高频载波采用二极管实现自适应解调，陀螺的输出正交信号及输出信号由开关解调实现。

图6是制作的样机，非真空封装，量程±360(°)/s，非线性度0.9%。