硅微机械音叉陀螺电学等效模型的建立与仿真研究(3)
1.3 硅微机械音叉陀螺仪发展简介
现在的陀螺仪可分为，压电陀螺仪，光纤陀螺仪，微机械陀螺仪，激光陀螺仪，都是电子式的，近年来又出现固体波动陀螺仪，它们可以和加速度计，磁阻芯片，做成惯性导航控制系统。本文研究的为微机械陀螺仪种类。
微机械陀螺仪由美国德雷柏实验室(Charels stark Draper Lab 简称 CSDL)于1988年首次研制成功[3]。其组成结构包括驱动外框架、测量用内框架及一个检测质量块，它们均由平板电容进行驱动和检测。结构示意图如图1.2所示。
图1.2 CSDL开发的双框架式微机械陀螺仪
1993年美国CSDL又成功研制出一种硅微机械音叉陀螺，其结构示意图如图1.3所示。该音叉式陀螺仪采用线性振动驱动，在单位Hz带宽下的分辨率为0.02° ，非线性<0.2%,零偏稳定性不超过60° ，改进后能够达到33° ，在60Hz带宽下零偏在10° -100° 之间波动。
图1.3 CSDL制作的硅微音叉机械陀螺
经过不断地改进电容式线性振动陀螺仪结构已经得到了很大的改进，我所在的南京理工大学惯性技术研究中心已经将陀螺仪的体积缩小为原来的一半。
20世纪末，美国密西根大学又成功研制出震动环式硅微机械陀螺仪，本文主要介绍梳齿型硅微机械音叉陀螺仪，因此后面研究的新型陀螺仪如固体波动陀螺仪等就不在描述。
1.4 论文主要工作和研究途径
1) 解决问题：微机械制造工艺存在相对误差较大的特点，且在制造过程中还会引入寄生参数，加工出的结构与设计值往往存在一定误差，导致陀螺性能的降低。通过建立完整的微机械结构电学模型并与测控电路一起仿真，可以帮助优化电路，提高陀螺性能。
2) 研究手段：
① 理解硅微机械音叉陀螺工作原理与信号控制原理，理论分析陀螺微机械结构接口电容及寄生电容对检测电路的影响，并设计实验进行测试与验证。
② 对陀螺仪驱动模态与检测模态进行动力学分析、电容网络计算与测试、电压与静电力转换的建模、运动位移与电容检测的建模，并以Cadence软件为仿真平台，首先建立各个部分较为精确的模型，辅以实验验证；逐步搭建起完整的陀螺微机械结构电学等效模型。
③ 在Cadence软件平台上对搭建的陀螺电学模型进行仿真，包括与完整的测控电路一起进行仿真，并于实验测试结果对比，验证模型的精确程度。
3) 内容安排：
第一章主要阐释了课题的目的及研究意义并介绍了硅微机械音叉陀螺的研究背景和发展现状。
第二章主要对硅微机械陀螺仪进行结构分析，包括对其进行动力学分析、电压与静电力转换的建模、寄生电容的建模、电容检测的建模以及检测电路的建模，并在Cadence/pspice中建立模型。
第三章主要是进行实验验证，首先进行实验测得陀螺谐振器品质因数与谐振频率，这些参数在表头建模时需要用到，之后对陀螺仪整体结构进行开环驱动实验对比仿真结果，分析模型的可靠性。
第四章是对本文的总结，并对未来的工作进行了展望。
2 硅微机械音叉陀螺仪原理及结构模型
2.1 硅微机械音叉陀螺仪驱动原理
本文的研究对象硅微机械音叉陀螺是基于哥氏力的原理。通过哥氏效应计算旋转角速度的方法提出已经快50年了，但是使其具有商品化应用价值只是在最近10多年才开始。微机械陀螺仪的驱动原理分析依赖于FEA，陀螺结构的加工技术与材料的纯度对产品的推广都有着很大的阻碍，同时微机械陀螺仪还依赖于微加工技术与IC加工技术日新月异的提高。