硅微陣列陀螺儀的仿真、設計與測試*

張印強，楊 波，李 婧，王壽榮*

(1．東南大學微慣性儀表與先進導航技術教育部重點實驗室，南京210096;2．南京工業大學自動化與電氣工程學院，南京210009)

硅微機械陀螺儀具有體積小、成本低等優點，在許多領域具有廣泛的應用價值，但精度較低限制了其應用場合，因此，提高精度成為硅微機械陀螺儀研究的重點和難點［1］。硅微陀螺儀性能的好壞主要取決于其設計質量、加工質量、測控電路的質量和封裝質量，但也與測試處理方法有關。采用恰當的方法對硅微陀螺儀信號進行處理，往往起到事半功倍的效果。硅微陀螺的一個很大優點是適宜于大批量生產。同時，它的一個顯著特點是硅微陀螺可以采用靈活的集成化制造技術，將多個硅微陀螺集成在同一個芯片上，構成硅微陀螺陣列，通過陣列中各硅微陀螺的測量，對同一外界信號進行冗余檢測，運用適當的同質傳感器的數據融合方法，將硅微陀螺儀陣列的輸出信號和被測角速度綜合成一個虛擬陀螺儀，通過對噪聲的模型化，建立相應的濾波方程，將使陀螺儀的漂移得到較大幅度的降低，也是硅微陀螺儀測試信號處理的一個重要發展方向。這樣做，無論對微陀螺本身，還是對慣性測量系統，其體積或成本都不會增加許多，因而是一種非常可行的方法。

美國JPL實驗室基于卡爾曼濾波算法仿真實現了由4個陀螺構成的“虛擬陀螺”陣列，其精度可提高2～173倍［2］。韓國的Seokyu Kim等采用鏈接梁結構方式分別將4個陀螺組成一個陣列來測量同一個角速度，動態測量范圍為100°/s，具有較高的信噪比［3］。國內的西北工業大學和哈爾濱工程大學利用單獨的MEMS陀螺構成陀螺陣列，應用數據融合技術提高了精度［4－5］。

本文設計了一種新的硅微陣列陀螺儀，對陣列陀螺儀的結構進行了分析，并利用Ansys有限元分析軟件進行了計算和仿真，確定了陣列陀螺儀結構的8階振型和固有頻率，最后對加工出的硅微陣列陀螺儀樣品進行了測試。

1 結構方案設計

由于采用四個單質量陀螺構成陣列時各陀螺之間的相關性較小且模態復雜，本文設計的硅微陣列陀螺儀由兩個雙質量雙線振動陀螺儀［6－7］組合而成，同時采用折疊梁來實現解耦設計。由于全解耦方案需要48根折疊梁，而半解耦方案只需16根折疊梁，綜合考慮加工工藝、成品率等因素，硅微陣列陀螺儀采用了半解耦方案。圖1為采用半解耦結構的硅微陣列陀螺儀的結構簡圖，由錨點、驅動梳齒、檢測梳齒、電極、驅動梳齒架、檢測質量塊和支承梁等組成。驅動梳齒架的兩邊均設計有驅動梳齒和電極，并分別通過4個折疊梁與檢測質量塊連接;驅動梳齒電容采用變重疊面積方式，活動梳齒與固定梳齒之間為滑膜阻尼。檢測質量塊兩邊加工有可動梳齒，與檢測梳齒架上的固定檢測梳齒構成變間距的差分電容。

圖1 硅微陣列陀螺儀的結構簡圖

此結構在設計方面有如下特點:(1)采用半解耦的結構解決非線性振動問題，在降低結構復雜度的同時減少了兩個模態之間的耦合;(2)質量塊、驅動和檢測支承梁完全相同且對稱分布，降低了加工誤差和溫度變化對陀螺性能的影響。

2 有限元仿真

硅微陣列陀螺儀的簡化模型如圖2所示，網格劃分后進行模態分析，采用單晶硅材料，仿真參數為密度 ρ=2．33×103kg/m3，泊松比 μ=0．027，彈性模量E=130 GN/m。

圖2 陣列陀螺的簡化模型

進行模態仿真［8－9］后，提取了硅微陣列陀螺儀前9階的頻率和振型，如圖3和表1所示。

圖3 ANSYS仿真結果

表1 陀螺的固有頻率

圖3中第1階模態為4個質量塊運動全部同相的驅動模態，第2階模態為其對應的檢測模態;第3階模態為另一種驅動模態，4個質量塊左右運動同相而上下運動反相，第4階模態為其對應的檢測模態;第5階模態為陣列陀螺沿z軸方向的運動，為干擾模態。第8階模態為第3種驅動模態，對應的檢測模態為第7階模態，其4個質量塊的左右運動反相且上下運動也反相，固有頻率匹配較好。第9階驅動模態與第6階檢測模態對應，4個質量塊左右運動反相而上下運動同相。經過結構參數的調整，工作模態與其他干擾模態保持了適當的隔離。從表1的固有頻率來看，實際陀螺的驅動工作模態選擇模態1或模態8較好，既完成了驅動和檢測模態的匹配，同時又保證了一定的帶寬。

3 加工

硅微陣列陀螺儀利用體硅加工工藝［10－11］完成，其在顯微鏡下的局部視圖如圖4。工藝流程如下:①選用N型(100)的硅材料作為硅微機械結構材料，在硅片上涂光刻膠作為淺刻蝕掩蔽層;②利用ICP刻蝕鍵合區并預釋放結構;③雙面拋光玻璃，腐蝕玻璃形成淺槽，淀積金屬，剝離形成金屬電極;④玻璃與待用硅片對準后靜電鍵合;⑤硅片減薄并進行拋光;⑥利用ICP深刻蝕進行結構釋放，完成加工。

圖4 硅微陣列陀螺儀在顯微鏡下的局部視圖

4 測試

本文對硅微陣列陀螺儀樣品的驅動特性進行了初步測試［12］。測試方案采用了開環驅動，機電調幅檢測的方法。信號發生器產生的正弦信號以及經過反向放大器反向后的信號通過阻容耦合與直流電壓疊加產生一對差分信號Vd±Vasin(ωt)施加到陀螺的驅動電極，由前置放大器提取驅動振幅信號，波峰值表征了振動幅度，通過掃頻實驗得到的硅微陣列陀螺儀的驅動模態諧振特性曲線如圖5所示。

圖5 硅微陣列陀螺儀驅動模態的幅頻曲線

從圖5可以看出，驅動模態的諧振頻率分別2660 Hz、2970 Hz和3200 Hz，驅動掃頻曲線有3個峰值，說明驅動模態存在3個振型，且同頻反相振動幅值遠大于同頻同相振動的幅值。掃頻實驗中驅動模態有3個諧振峰，而仿真結果有4個諧振峰，造成此現象的原因是仿真中第8階和第9階驅動模態的諧振頻率相差較小，由于加工誤差的影響，使得實際測試中這兩個模態的峰值近乎重疊。

對1～5號陀螺樣品進行了驅動模態的測試，測試結果見表2，不同樣品的相同模態間的諧振頻率差異較小。同時對陀螺的檢測模態進行測試后發現敏感諧振頻率與驅動頻率基本匹配，滿足設計要求。對陣列陀螺的進一步測試正在進行之中。

表2 陀螺樣品的驅動模態固有頻率 單位:Hz

5 結語

本文設計了一種新型的結構對稱的硅微陣列陀螺儀，并對其結構模態進行了有限元仿真，然后介紹了利用體硅加工工藝進行陀螺加工的工藝流程。最后對加工出的硅微陣列陀螺儀樣品進行了初步測試，實驗結果與仿真結果基本吻合。

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