石英微機電陀螺的頻率干擾特性研究

林日樂，謝佳維，王 偉，董 勇，蔣昭興，冉龍明，李文蘊，羅 華，朱振忠

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶400060；2.空裝駐重慶地區軍事代表室，重慶400060)

0 引言

石英微機電陀螺是一種微型哥氏(Coriolis)振動陀螺，該類陀螺具有精度高、溫度性能好、可靠性高和適合低成本批量生產等特點，可廣泛應用在穩定、控制、制導、導航等領域。石英微機電陀螺工作時敏感芯片處于諧振狀態，敏感芯片結構具有多種模態，前9階模態覆蓋頻率為3～21 kHz。敏感芯片的部分模態易受外部振動影響而導致敏感芯片產生共振，使陀螺產生零位偏移誤差，是影響陀螺綜合精度及環境適應性的關鍵因素[1]。

1 石英微機電陀螺工作原理

圖1為采用雙端音叉結構的敏感芯片結構示意圖。圖2為石英微機電陀螺的工作原理。由圖1，2可看出，驅動音叉被激勵并以其固有頻率諧振，在輸入軸向有角速度輸入ωi時，由于哥氏力的作用，使檢測音叉做受迫振動，振動幅度正比于驅動音叉運動的速度和輸入角速度。利用石英晶體的壓電效應，將振動信號轉換成電信號，并通過放大、相敏解調和濾波得到一個正比于輸入角速度的直流電壓輸出[2-3]。

圖1 雙端音叉敏感芯片結構示意圖

圖2 石英微機電陀螺工作原理圖

2 頻率特性分析

石英微機電陀螺雙端音叉敏感芯片具有復雜的模態振型，芯片的結構形式和結構參數決定不同的諧振模態。利用有限元分析法進行結構仿真分析，該類型結構的前9階模態振型如圖3所示，其中第七、八階分別是驅動模態和檢測模態。驅動模態是驅動音叉在xy平面內諧振，檢測模態是驅動音叉與檢測音叉在yz平面內諧振。前9階模態覆蓋頻率為3～21 kHz。當外部工作環境的頻率與敏感芯片部分模態頻率重合時會引起共振，導致陀螺零位偏移誤差。除驅動模態頻率和檢測模態頻率外，其他階模態(特別是與檢測模態振型相似的模態)影響較大[4-7]。

圖3 雙端音叉敏感芯片前9階模態振型示意圖

對敏感芯片進行3～21 kHz的掃頻分析(見圖4)，在其各階模態頻率處會引起共振，導致檢測音叉產生位移。雙端音叉結構的石英陀螺敏感芯片，其檢測音叉上檢測電極的設計對音叉x、z方向的位移敏感，音叉在這2個方向產生位移，會通過石英晶體的壓電效應轉換為電信號，如果該信號不能抵消或在信號相敏解調過程中抑制，最終將形成陀螺零位誤差信號。

圖4 檢測音叉掃頻仿真分析響應曲線

在敏感芯片結構設計時，針對特定工作環境的干擾頻率，優化芯片中易引起干擾的模態頻率，進行錯頻設計，這能有效避免芯片在該模態頻率共振導致的零位偏移誤差。針對雙端音叉敏感芯片結構，設計了2組不同參數，其前9階模態頻率如表1所示 。同時，由圖3可看出，其二、三階模態的振型主要表現為檢測音叉的同相或反相運動，這兩階模態一旦在工作環境中引起共振，易引起陀螺零位偏移誤差。如工作環境有4.4 kHz左右(或其高次諧波)的頻率干擾源，將引起芯片的二階模態共振，導致零位誤差。為避免該情況，根據這兩階模態振型特點，優化芯片的結構參數，改變這兩階模態的頻率，同時保持芯片驅動和檢測模態頻率基本不變，即對芯片中易引起干擾的模態頻率進行錯頻設計，避免工作環境頻率對芯片的干擾，提升陀螺的振動環境適應性。優化芯片結構參數后，參數組2的二、三階模態頻率變化了約4%，可有效錯開干擾頻率。

表1 雙端音叉敏感芯片前9階模態頻率(仿真分析)

3 實驗

3組不同結構參數的敏感芯片，其前9階模態頻率的實測值如表2所示。不同的結構及工藝參數改變了敏感芯片的各階模態頻率，特別是二、三階模態頻率，通過調節，頻率發生明顯變化，變化率可達6%。芯片部分模態錯頻后，避免了與外部環境特定頻率共振引起的零位偏移誤差。如圖5所示，敏感芯片的模態頻率與外部環境頻率產生共振，零位偏移誤差達0.5 (°)/s，進行錯頻后，在該頻率點零位偏移誤差被有效抑制，零位偏移誤差減小到0.03 (°)/s左右，有效提高了陀螺的振動環境適應性。

表2 不同結構參數的雙端音叉敏感芯片前9階模態頻率實測值

圖5 不同陀螺敏感芯片結構在外部頻率干擾源作用下的零位輸出曲線

4 結束語

石英微機電陀螺是一種微型振動陀螺，工作時敏感芯片處于諧振狀態，敏感芯片具有多種模態，部分模態易受外部振動影響而產生共振，導致陀螺零位偏移誤差。通過敏感芯片結構參數的優化，進行模態頻率的錯頻設計，將易受影響的模態頻率避開外部環境的特定干擾頻率，可抑制共振引起的陀螺零位偏移誤差，有效提高了陀螺的振動環境適應性。