体硅微陀螺仪敏感结构的误差机理研究

How to reduce the drift of the silicon micro-gyroscope is one of the current research hot spots and difficulties. It is widely accepted that the damping characteristics, temperature changes, mechanical coupling errors, parasitics and noise of the electromechanical interface of the silicon micro-gyroscope are a major factor of output drift of silicon micro-gyroscope. However, many studies are not in-depth. Or it focuses excessively on the underlying error mechanism, resulting in lack of research on the system output performance caused by the underlying error. Or it just researches the influence of the output performance resulting from abstract error from the perspective of the system or circuit. And the direct relationship of the abstract error with the underlying error mechanism is not established, which results in difficult to analyze the direct cause of the certain drift and is not conducive to optimum system performance and improve design. The project intends to research the thermo-elastic damping and gas damping characteristics of the sensing structures of the silicon micro-gyroscope, research the coupling between the temperature field and force field of the sensing structure and analyze the temperature error mechanism, research the mechanical coupling error of the sensing structure, analyze the parasitic characteristics and coupling characteristics of electromechanical interface of the sensing structure as well as electromechanical interface model. According to the research results above, the drift simulation model of silicon micro-gyroscope is built. And the direct relationship of the abstract error with the underlying error mechanism is established so as to analyze the main reasons of drift and look for ways to inhibit the main drift.

如何减少硅微陀螺仪的漂移，使之能进入工程应用，是当前硅微陀螺仪研究的热点和难点之一。目前普遍认为硅微陀螺仪的阻尼特性、温度变化、机电接口寄生效应和噪声，以及机械耦合误差是导致陀螺输出漂移的主要因素。但是诸多研究并不深入，要么过度注重底层误差机理研究，缺乏对由底层误差导致系统输出性能影响的研究；要么只是从系统或电路角度研究抽象误差对输出性能影响，未建立抽象误差与底层误差机理直接关系，导致很难分析引起某种漂移的直接原因，不利于系统性能优化和改进设计。本项目拟通过开展硅微陀螺仪的敏感结构的热弹性阻尼和气体阻尼特性研究；敏感结构的温度场与力场耦合研究，以及温度误差机理分析；敏感结构的机械耦合误差机理研究；敏感结构的机电接口的寄生特性和耦合特性分析，以及机电接口模型研究等，来构建硅微陀螺仪的漂移仿真模型，建立底层误差机理与系统输出漂移直接联系，分析漂移产生的主要原因，寻找抑制主要漂移的方法。

研究了敏感结构热弹性阻尼产生机理，分析表明针对大气压下的硅微陀螺仪，该阻尼基本可以忽略不计；研究了硅微陀螺仪的空气阻尼，利用coverntor软件分别仿真驱动模态和检测模态的空气阻尼，以及阻尼与压强和阻尼与温度关系；进行了温度误差机理研究，研究了温度对硅微陀螺仪微结构固有频率、驱动幅度、结构的机械灵敏度等的影响规律；利用Ansys软件对结构进行400oC的热应力分析，同时分析了温度变化导致的谐振频率变化规律；研究了由温度变化导致的谐振频率和品质因数变化在开环驱动开环检测、闭环驱动开环检测和闭环驱动闭环检测下对系统的标度因数和零偏的影响规律，研究结果表明，闭环驱动闭环检测方案对谐振频率和品质因数变化有较好的抑制效果；为了从原理上进一步减小机械耦合误差，研究了一种新的双质量全解耦硅微陀螺仪，通过有限元仿真验证设计其可行性；进行了机械耦合误差分析，分析了梁宽误差导致的正交误差和失调误差公式；研究了改进的双质量全解耦硅微陀螺仪，在结构中设计了正交误差校正机构；对两种结构的机械耦合误差进行了仿真和比较，结果表明改进的结构进一步减小了机械耦合误差；对陀螺微结构的非理想动态进行了分析，对刚度误差导致的两质量块非理想运动进行了仿真；构造了驱动模态和检测模态的机电接口模型；设计了机电接口电路，并分析了寄生电阻电容对接口电路的影响；设计了双质量全解耦硅微陀螺仪的闭环驱动开环检测电路和闭环驱动闭环检测电路；采用国内DDSOG工艺进行了两种陀螺结构的加工；对结构芯片进行了扫频实验，验证模态设计的正确性；对结构芯片的正交误差进行测试，同时对正交误差校正控制和闭环反馈控制进行了实验，实验证实了控制方法的可行性；对双质量全解耦硅微陀螺仪样机性能进行了测试，包括标度因数、标度因数非线性、量程、灵敏度和偏置稳定性，测试结果表明各项指标都达到了设计要求。