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微陀螺仪是用于测量物体相对惯性空间转动的角度或角速度的传感器装置,其中硅微型振动陀螺仪是随着微电子技术和微机械加工技术的发展而研制出的一类新型角速率传感器,它用微幅振动代替高速旋转,具有体积小,重量轻及成本低,可靠性高,易于批量生产和便于与电子线路集成等其它类型微陀螺仪无法比拟的优点,因此在军民等领域具有广阔的应用前景。
本论文对梳状静电驱动电容检测的振动式微陀螺仪进行了研究,它的驱动不受电容间隙限制,可以获得较大的驱动振幅,且驱动力与位移无关,品质因子较高,信号处理电路易于实现,因此梳状驱动微机械陀螺仪是一种颇具吸引力的微振动陀螺仪结构。本论文共分六章,第一章介绍了MEMS的发展历程及微陀螺仪的发展历程,详细介绍了微机械振动式陀螺仪区别其它形式微陀螺仪的优点。第二章介绍了MEMS制造技术及梳状驱动微机械陀螺仪的制作工艺。第三章分析了梳状驱动微机械陀螺仪的工作原理及其结构图,并且建立了数学模型,推导出其运动微分方程,求出梳状驱动微机械陀螺仪的检测位移,并分析了微陀螺仪的运动规律。第四章研究了梳状振动微机械陀螺仪静电梳齿电容驱动原理和电容检测原理,求出了驱动力及检测灵敏度。提出了影响微陀螺仪性能的两个重要指标:检测灵敏度和工作带宽。并得出规律:要想提高微陀螺仪的灵敏度,必须使驱动和检测固有模态有合适的偏差,这些为下文的仿真分析提供了理论依据。第五章基于Conventor软件,对微机械梳状陀螺仪固有特征频率、各轴的静态位移、吸合电压、对梳齿施加直流偏置电压后各轴的幅频相频特性及质量块的结构对驱动和检测频率的影响等进行了分析。选出了一组合适的悬臂梁参数,使微陀螺仪具有较高的灵敏度。基于Intellisuite软件对各向异性刻蚀工艺进行了仿真。通过设定腐蚀条件,软件将显示各晶向的腐蚀速率,由腐蚀速率和需要刻蚀的深度,可以计算出腐蚀时间,从而为实验提供理论基础。第六章建立了梳状驱动微机械陀螺仪的驱动和检测电学模型。因为仅有微机械陀螺器件是不能检测角速度信号的,必须通过接口电路把陀螺的机械振动信号转化为电信号并进行处理,以此得到角速度信号,而且微陀螺仪工作还需要接口电路提供驱动信号,并且微陀螺仪的许多误差需要接口电路来纠正和消除,本章设计了梳状驱动微机械陀螺仪的接口驱动和检测电路。
本论文的研究对微机械梳状振动式陀螺仪的设计制作具有一定的理论指导意义。