微机械陀螺管芯测试方法

0　引　言

采用体硅工艺对硅晶片进行刻蚀、生长等方法制作的微机械陀螺,是一种可高速振动的微机械结构,利用哥氏振动陀螺原理得到角速度信号。微机械陀螺结构“微小”的这个本质特征使它在应用中具有重量轻、功耗小、可靠性好、抗冲击性强,与电路集成容易等特点。微机械陀螺可使导航定位系统单兵化,甚至使制导炸弹、微纳卫星、军用机器人等新概念武器变成现实。微机械陀螺使得商业民用领域中的应用成本大大降低,在汽车的安全气囊防护系统、影像设备防抖装置、医疗器械、电子玩具,大地测量、振动监控等定位定向系统中均可采用。可以看出:微机械陀螺在军民用领域的普及已成必然。但因为工艺的原因,对微机械陀螺敏感结构的尺寸精度难以控制,因此,应用中必须要对结构的基本参数进行测试筛选。目前,国际上已经研发出一些有价值的测试设备,如,Veeco公司的MEMS3500、美国桑地亚国家实验室的MEMS可靠性测试系统ShMi MeR等,这些测试设备的价格都非常昂贵[1]; Samsung Advanced In-stitute ofTechnology研制了一套陀螺综合测试系统[2],更侧重于整个系统性能参数的测试; Pavia大学电子系运用光干涉法测得了振动幅值、谐振频率、Q值等相关参数[3];国内,南京理工大学与东南大学合作,运用数字图像相差技术,得到位移、速度和加速度的时间曲线,从而得到谐振频率和Q值[4]。以上2种方法均通过光学方法间接获得运动特征,实验与数据处理中难免出现干扰、产生误差。本文采用静电驱动—电容检测方案,就谐振频率、Q值和模态耦合的测试进行了研究,直接测得了陀螺驱动与检测模态及模态耦合的频率特性,获得了管芯准确的谐振频率与Q值。

1　微机械陀螺

线振动微机械陀螺的工作原理同传统意义上的陀螺一样,如图1(a)所示。如果把陀螺振动看作平面振动,在振动平面内取坐标oxaya为惯性空间参考坐标系a系,oxbyb为陀螺载体坐标系b系,其中,xb,yb分别表示陀螺检测轴和驱动轴,x和y分别为陀螺敏感质量的质心在b系中的坐标,θ是b系相对a系转过的角度。在驱动轴的梳齿电容上施加电压,敏感质量会沿驱动轴方向做高速振动;当敏感轴有输入角速度θ·时,敏感质量在哥氏力的作用下沿检测轴发生响应振动,通过检测轴梳齿电容的变化即可得到角速度信号。理想状态下系统动力学方程可表示为

式中　m为敏感质量;By为阻尼系数;ky为弹性系数;fex,fey分别为x,y方向所受静电力。当输入角速度θ·=0时,系统简化为理想二阶系统,驱动轴理想频率特性曲线如图1(b)所示,其中,谐振频率

2.1　系统总体设计