【摘 要】
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相比于传统的机械陀螺仪,MEMS陀螺仪具有重量轻、体积小、成本少以及功耗低等优点,广泛应用于消费电子、无人机侦查、导弹卫星以及航空航天等各个领域。本论文将多环形谐振陀螺仪技术与MEMS技术相融合,研制出多环盘式硅微谐振陀螺仪。多环盘式硅微谐振陀螺仪不仅具有MEMS陀螺仪的优点:其结构尺寸与重量更小、生产成本更低、产品性能更高;而且由于其自身良好的温度特性、电容面积较大以及结构全对称等优点,该陀螺仪
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相比于传统的机械陀螺仪,MEMS陀螺仪具有重量轻、体积小、成本少以及功耗低等优点,广泛应用于消费电子、无人机侦查、导弹卫星以及航空航天等各个领域。本论文将多环形谐振陀螺仪技术与MEMS技术相融合,研制出多环盘式硅微谐振陀螺仪。多环盘式硅微谐振陀螺仪不仅具有MEMS陀螺仪的优点:其结构尺寸与重量更小、生产成本更低、产品性能更高;而且由于其自身良好的温度特性、电容面积较大以及结构全对称等优点,该陀螺仪展现出极大的应用潜能。目前针对环形谐振陀螺仪的结构形状以及加工工艺改进的研究设计很多,但是对于其测控电路的研究较少。本论文在详细介绍多环盘式硅微谐振陀螺仪结构参数、工作原理以及加工工艺的基础上,设计出满足陀螺测控电路所需的高压直流电,并对环形谐振陀螺的测控电路进行深入研究,提出双闭环模拟控制电路,研制出高性能的陀螺样机。本论文主要研究的内容如下:1、设计出多环盘式硅微谐振陀螺仪结构形状,并对其结构参数进行详细介绍。分析了环形谐振子基于哥氏效应的工作原理,并比较了不同振动模态下谐振子的振动情况。在此基础上,分析了环形谐振子的动力学运动,介绍了基于SOG加工工艺的环形谐振陀螺整体工艺流程。2、设计出满足多环盘式硅微谐振陀螺仪测控电路所需的高压直流电路。由于不同批次制造的环形谐振子结构有所差异,因此所需要的高压直流电压会有所差别。为满足不同高压应用场合,设计出220 V左右的直流高压。由于所要求的直流输出电压和输入电压的差距较大,需要按照所需要求设计直流变换电路。并进行了基于Simulink仿真验证,试验结果支持了理论分析。3、开展了多环盘式硅微谐振陀螺仪双闭环模拟控制电路的关键技术研究,实现了陀螺测控电路性能的提升。首先分别设计出环形陀螺仪在n=2、n=3模态工作下的外围电极分布,详细介绍各电极在电路中的作用。多环形陀螺仪双闭环模拟控制电路分为两部分,驱动闭环控制回路用于主振型的控制,正交力平衡闭环控制回路用于从振型的控制。并对以上回路进行了基于Simulink仿真验证。4、进行了多环盘式硅微谐振陀螺仪测试实验。主要测试指标包括高压直流生成电路开闭环测试,并对比其输出电压结果;并对环形谐振陀螺标度因数以及Allan方差相关性能进行测试。验证了所设计环形陀螺仪双闭环模拟控制电路以及高压直流开关电源的可行性。
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