频率输出式MEMS振动陀螺的基础理论与关键技术研究

High performance MEMS gyroscope is one of the critical technologies for defense and industry applications. As the precision of the amplitude-modulated MEMS gyroscopes is approaching its ultimate limit, it’s becoming more and more important to explore new gyroscopic mechanisms. Great potential has been reflected by frequency-modulated (FM) operating mode, which makes it one of the most promising candidates for realizing next generation high performance MEMS gyroscope. At present, the international progress in FM mode gyroscope study is just at its primary stage, which still has great research potential. This project intends to solve some of the key theoretical and technical problems confronted by FM gyroscope. We propose a novel Duplex Quadrature FM working mechanism which can provide stable differential output and get rid of the “deadzone” problem. This research will concentrating on issues such as dynamical modeling, theory of error, frequency and damping tuning theory, and damping adjusting techniques of the FM gyroscope. The Duplex Quadrature FM gyroscope prototype will be constructed by designing and fabricating high quality resonator and developing high performance controlling circuitry. The prototype will be characterized and its overall performance will be tested. This project will make great contribution to realizing self-dependent innovation and provide crucial theoretical and technical support for developing next generation high performance MEMS gyroscope.

高性能MEMS陀螺是国防及工业领域的关键性支撑技术，随着幅值输出式MEMS振动陀螺的性能逐渐接近饱和，探索具有潜质的新机制MEMS陀螺成为当前非常重要的研究课题。频率输出工作模式体现出了非常好的前景，是下一代高性能MEMS陀螺最重要的候选方案之一。目前在国际上相关研究尚处于起步阶段，有很大的研究空间。本项目针对当前频率输出陀螺面临的共性科学问题，开展基础理论与关键技术攻关，提出一种全新的无“死区”、实时差分的双工正交式频率输出工作机制，重点突破频率输出陀螺系统建模、误差理论、频率修调理论、阻尼修调理论与调控机制等关键问题，完成频率输出MEMS陀螺谐振器的设计与制造、双工正交式频率输出测控电路研制以及陀螺样机的表征和测试，实现MEMS陀螺机理层面上的自主创新，为下一代高性能MEMS陀螺的研制提供理论和技术支持。

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等应用的核心器件，当前，诸多工业和军事应用领域对高精度、低成本、小体积的MEMS陀螺仪提出了迫切需求。传统幅值输出式MEMS陀螺在进一步提升性能方面面临越来越严峻的系统复杂性挑战，探索控制系统更加简洁、性能潜力更大的新工作模式是当前的研究前沿。频率输出式MEMS陀螺是最近潜力的方案之一，但是国际上相关研究在理论模型、工作机制、误差模型和修调技术等方面依然不完善。.本项目针对上述问题开展了新型频率输出模式MEMS振动陀螺的基础理论与关键技术研究。从频率输出的理论模型出发，研究了开环模式、单正交模式、双正交差分模式下的频率输出机理，并探讨了各误差对正交式频率输出的影响，突破了频率输出MEMS陀螺系统建模、误差理论、频率修调理论等关键科学问题。项目提出了无“死区”、实时差分的双正交式频率差分输出工作机制，设计了基于FPGA的双正交式频率输出测控电路。设计并制造了高Q值的折叠梁式盘形陀螺谐振结构，其实测Q值达到了约69万，为国际上同类结构公开报道的最高水平。项目研制的频率输出MEMS陀螺的在±1200°/s的量程下依然保持了极高的非线性，远超传统的幅值输出MEMS陀螺。所研制样机的零偏不稳定性达1.5°/h，达到了战术级应用需求。.本项目开展的频率输出MEMS陀螺基础理论和关键技术研究为高精度MEMS陀螺的自主创新迈出了坚实一步，相关研究成果为下一代低漂移、高稳定性频率输出式MEMS陀螺产品的研发奠定了扎实的理论基础和技术积累。研究成果将有助于研制满足精确制导、平台姿态控制、自主导航等需求的高精度低成本MEMS陀螺仪。