差分式硅微机械陀螺的结构设计及闭环驱动研究

作     者：李林 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张文栋;李锦明

授予年度：2006年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：硅微机械陀螺 差分式 真空封装 直流自动增益控制 闭环驱动 

摘      要：通过充分调研和详细分析目前国内外振动式硅微机械陀螺的研究状况,针对梳齿式线振动微机械陀螺存在机械耦合误差较大,无法同时具有较高带宽和灵敏度及器件品质因子较低等缺点,本论文提出一种同时具有较高带宽和灵敏度的差分式硅微机械陀螺,该陀螺采用双质量块结构抑制了机械耦合对器件造成的不良影响,其驱动、检测模态谐振频率的精确匹配保证了陀螺较高灵敏度,同时差分式结构设计使陀螺带宽得到明显提高;与此同时,对陀螺实现真空封装提高结构品质因子,进一步增强陀螺了灵敏度;最终提出新颖的直流增益控制方法实现对差分式硅微机械陀螺的闭环驱动。 论文通过理论研究和仿真分析相结合的方式,对陀螺基本组成部件(电容器和支撑梁系统)进行了详细的分析研究,确定差分式硅微机械陀螺分别采用蟹型梁和折叠梁作为检测质量块和驱动质量块的支撑梁,同时采用静电驱动和梳齿电容检测的工作模式。 提出差分式硅微机械陀螺结构,通过大量仿真分析和理论计算使陀螺驱动、检测模态谐振频率精确匹配,保证陀螺具有较高灵敏度;详细分析了差分式硅微机械陀螺的结构特点及工作原理,通过与具有较高灵敏度的陀螺结构进行比较分析,确定差分式硅微机械陀螺在相同灵敏度条件下可以同时获得较高带宽。 采用高深宽比深度腐蚀(ICP RIE)表面加工工艺及真空封装技术,以提高陀螺灵敏度。同时提出采用与ASIC兼容的表面加工工艺实现对差分式硅微机械陀螺结构的加工。 对差分式硅微机械陀螺结构提出直流自动增益控制的闭环驱动方法,并针对该方法设计出一种低噪声的直流自动增益闭环控制电路,实现陀螺闭环驱动。