文档介绍：微机械角速率陀螺研究
刘俊[1,2] 李科杰[1] 张文栋[2] 石云波[2]
(,北京 100081;, 山西太原,030051)

摘要:本文设计了微机械角速率振动陀螺结构,介绍了其工作原理,在此基础上讨论了陀螺的驱动
电路与信号检测电路,最后给出了该陀螺的有限元仿真结果和工艺设计流程。
关键词微机械;陀螺;仿真分析

1陀螺是敏感壳体相对惯性空间的角运动的图 1 微机械陀螺结构图
装置。陀螺可分为两大类:一类以经典力学为基 Structure of the micromachined gyro
础,如刚体转子陀螺、流体转子陀螺、振动陀螺 2 工作原理
等;另一类以近代物理学为基础,如激光陀螺、陀螺系统组成见下图,它由敏感元件、驱动
光纤陀螺、核磁共振陀螺等。在各种陀螺原理中, 电路、检测电路和力反馈电路等几部分组成。
振动陀螺原理最适于采用微机械技术来加工。振
动陀螺是利用振动质量被基座带动旋转时的哥
输入信号
氏效应来敏感角速度的,其主体是一个作高频振反馈电路驱动电路
动的音叉、梁或轴对称壳[1]。
1 微机械角速率陀螺的结构设计敏感元件
设计了如图 1 所示的微机械振动式陀螺,该
陀螺为双质量块正交梁结构,上层为带电极的振
压敏电阻检测电路输出信号
动质量块,下层为带电极的玻璃层。当质量块(硅
片)和玻璃层之间加上电压时,质量块与玻璃层
图 2 陀螺系统组成框图
之间产生运动,当电压变化的频率与机械振动频
率一致时,产生共振,振幅加大。当输入轴有空 Layout of the gyroscope system
间输入角速度时,在哥氏力的作用下,梁产生扭在驱动电极上施加带有直流偏置的交变
曲,梁上的压敏电阻的阻值发生变化。因此,可电压,由于交变的静电驱动力矩的作用,质量块
利用压敏电阻的变化敏感角速度的变化,并通过在垂直于玻璃衬底的平面内绕 X 轴作简谐角振
压敏电阻的精确定位和串联网络分离角加速度。动,当在振动平面内沿垂直于 Y 轴的方向有空
间角速度Ω时,在哥氏力的作用下,质量块绕 Z
轴发生扭转,由此引起的扭矩使输出梁上对称
的压敏电阻的应力产生变化,从而引起电阻率
的变化。本设计采用压阻式检测原理,避免了
电容式微机械陀螺中小电容检测的难题,增加
了系统的抗干扰能力。由于采用了对称式双质
量块结构,因而可将三维加速度的耦合误差完
全分离出来,消除了由此造成的质量块质量的
限制,从而最大限度的提高了微机械陀螺的分
辨率和灵敏度。另外,通过限制结构运动体的

Z 运动空间,可以实现抗高过载。
两个电极之间的静电力可根据库仑定律计
Y
算:
X
1 q q
1 2
Felec = • 2
1 本文受总装跨行业基金项目资助 4πε rε 0 x
2 本文受省科委基金项目资助
1

有叫高的线性度,但是 MEMS 设备一般不采用
式中, q 和 q 是两个电极的电量;x 是两
1 2 这种方案,这是由于集成工艺十分复杂,并且要
想屏蔽相邻设备以消除窜扰几乎是不可能的。所
个电