微机械梳状陀螺仪主要参数优化设计分析

　　0　引言

　　近年来,随着MEMS技术的发展,惯性仪表中微机械陀螺仪得到了很大的发展,出现了音叉式、线振动式、角振动式等多种结构。由于具有体积小、质量轻、可靠性高、功耗低、可批量生产和测量范围大等优点,微陀螺在高精度炮弹、炮弹的惯性导航系统、小型卫星和航天器、汽车防滑刹车系统、安全气囊展开和自动调整系统等军事和民用方面得到广泛的应用。

　　微陀螺谐振器是硅微型梳状驱动陀螺仪的核心部件。它依靠其中的惯性质量块与敏感电极之间微小的电容变化来测量角速度。因此其参数的优化设计十分重要。

　　CoventorWare软件采用由上至下的方法建立MEMS器件系统模型,并且具有设计和分析的强大的功能,本文利用CoventorWare软件中提供的微陀螺系统模型,通过改变梁的主要参数来考查其对陀螺仪响应频率的影响,从而优化设计,提高陀螺仪的性能。对其优化后的模型进行了交流小信号分析,得出了x、y、z3个方向上的幅频特性。

　　1　微机械陀螺仪谐振器结构及工作原理

　　微陀螺谐振器的系统层模型如图1所示,由4个水平梁、4个垂直梁、1个矩形电极、1个多晶硅平板(即惯性质量块)、2对直齿梳组成,此外还有电源、接地点、固定锚点等。带有梳状电极的平板与8个挠性梁(即相当于弹簧)相连,而挠性梁连接到其固定端(锚点)上,并被支撑在基底上方,构成活动部分。固定锚点和固定梳齿被固定在基底上。两个固定梳齿的梳齿部分是悬空的,其余部分固联在基底上,一对活动梳齿整个悬空,通过挠性梁与4个锚点相固联。硅微型梳齿振动陀螺仪有两部分形成电容。活动梳齿与固定梳齿的梳齿部分交错对插,形成梳电容。该梳电容形成驱动回路,起驱动惯性质量块的作用。同时,多晶硅平板和其下面的电极之间也形成平行板电容,并形成测量回路,起感应测量作用。

　　在固定梳齿上加载交变驱动电压,包括直流偏置电压和交流驱动电压,为使两端梳状电极以推挽方式驱动,在两端固定电极上加载的交流电压的相位要相反。形成的交变电场将在y方向形成横向驱动力。驱动力随时间按简谐规律变化,其角频率与驱动电压的角频率相同,振动的幅值与梳状电极及驱动电压有关。在驱动力作用下,活动梳齿将相对固定梳齿在y轴方向产生位移。即质量块将沿着y轴振动,当驱动电压的频率与支撑系统y方向的固有频率相同时,结构将发生谐振,此时若基底带动谐振器绕x轴相对惯性空间以某一角速度转动时,根据哥氏定理便会产生哥氏力,由于哥氏力的作用,活动部分将在沿垂直于基底的方向振动,其振幅与输入角速度成正比。从而使多晶硅平板和其下面的电极之间的距离发生变化,即平行板电容器的电容值发生变化,通过测量平行板电容器的电容就可以测出基底相对惯性空间转动的角速度。