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1、虽然 MEMS 技术不断成熟，然而微机械振动陀螺仪所用加工材料质量的不均 匀、加工中尺寸误差的存在、残余应力的存在、阻尼不对称和驱动梳齿间距不 等等原因,都可能使得微机械陀螺传感器存在着各种非理想效应，如正交误差、 寄生 Coriolis 力等。误差不可避免，为此从敏感结构下手改进、加工工艺的改 善如通过 SBM 加工及加工误差的减小、输出信号同步解调、误差补偿、静电力 反馈控制等方面对正交误差信号进行抑制或消除,削弱其对微机械振动陀螺仪整 体性能的影响。 但是由于微机械陀螺传感器结构的加工技术已日趋成熟，接口电路的设计 则成为制约微机械陀螺产品化的瓶颈。当然通过接口电路的设计克服上述非理 想
2、效应的影响，也是微机械陀螺研究中的难点。有一种通过误差补偿技术来使陀螺仪达到理想状态的方法1：理想状况下, 微机械振动陀螺仪运动方程的弹性系数可表示为:(1)但制造工艺的缺陷、加工误差及残余应力的存在等原因使得弹性系数矩阵的非 对角线因子出现非零值,即:(2)Ke中的因子kxy 、kyx不全为零。正交误差补偿技术即通过负反馈力矩控制 器使得弹性系数矩阵对角线化,非对角线因子归零。通过差分静电梳齿力矩器可 实现非对角因子归零。 对于上面的弹性系数方法，又提出了一种如何通过设计悬架弹簧来减小由 于加工不对称所引起的正交误差方法2。提出正交误差、刚度矩阵以及宽度不 匹配之间的关系，从而得到U型梁、折
3、叠梁等应该被优先选择来减小误差。 通过敏感结构改进来减小误差1：正交误差的抑制根本上需要微机械振动 陀螺仪敏感结构的改进。图1为微机械振动陀螺仪的敏感结构模型。(a)图为非 解耦的敏感结构,驱动和检测采用同一质量块,机械振动耦合较为严重,正交误差 对微机械陀螺仪整体性能影响较大。( b)图为单级解耦的敏感结构。通常驱动 和检测部分有各自独立的支承梁,驱动振动对检测部分的支承梁影响较小,机械 振动耦合微弱,正交误差信号相对很小。(c)图为双级解耦的敏感结构,驱动质量 块的运动与检测质量块的运动完全隔离,正交误差信号微弱,同时该结构可以降 低检测模态的振动导致梳状驱动电极间的电场不对称时所引起的“
4、悬浮效应” 。图图1 1 微机械振动陀螺仪敏感结构模型微机械振动陀螺仪敏感结构模型除了上面的解耦结构外，还有一种新的高性能的解耦结构的微机械陀螺3 （如图2） ，采用的是一种独立的振动框架，其驱动模态和检测模态分别单独采 用惯性质量块。运用这种框架不仅能阻止驱动模态和检测模态之间的耦合振荡， 而且可以将驱动模态上的科氏力传递给检测模态。在大气中，这种结构的驱动 模态和检测模态的品质因素分别测量为800和34，谐振频率分别是2.981kHz和 2.813kHz。这种陀螺的标度因素非线性是38mV/ (deg/sec)，在100deg/sec的 测量范围内大概提高0.8%，并且在半小时内的短期零偏
5、稳定性是0.28deg/sec。图图2 2 新型解耦结构陀螺新型解耦结构陀螺此外，因为双质量双线性振动的陀螺仪对环境变化不是很敏感，而且其差 分输出还能有效抑制共模干扰。故又出现了一种具有自适应的闭环检测解耦结构的双质量块微机械陀螺仪4。这种结构可以实现全解耦，让检测模态额频率 和驱动模态达到一致匹配，将检测轴的幅值调节成一个常值。实验结果显示采 用这种方法能减小平移加速度，抵消正交误差，提高陀螺仪的总体性能。也可采用腐蚀体加工来减小正交误差的方法5 。这种方法制造的陀螺有一 个非常平的下表面，能提供给一个高度对称的检测质量块和弹簧，进而反过来 提高性能减小正交误差。通过这种加工的陀螺带宽是5
6、8HZ，并且4小时的零偏稳 定性才0.3。 静电力反馈控制来抑制误差电路6:通过分析微机械陀螺的正交误差和同相 误差的来源及特点,提出了利用静电力反馈控制来抑制误差的技术方案。该方案 利用反馈静电力在检测模态上产生等效电刚度和电阻尼,从而影响陀螺仪驱动和 检测模态之间的刚度和阻尼耦合系数,进而抑制误差。为实现误差抑制设计了带 有反馈校正环节的闭环检测电路并完成了仿真,仿真结果表明校正环节能够使系 统的幅值和相位裕度达到25dB和36.5。对微机械陀螺进行频谱分析和性能测 试比较,结果表明闭环检测情况下,误差量较开环测试减小了50%,标度因子的非 线性度从2.89%减小到1.47%、带宽增加了1
7、5Hz、零偏稳定性提高了1.3倍。 一种正交误差校正的闭环反馈控制电路7。由于微机械陀螺的性能很大程 度上受到正交误差和失调误差的影响。 为了消除正交误差、失调误差以及电容 型传感器固有的非线性的影响，设计了这种正交误差校正的闭环反馈电路。该 设计的原理是基于驱动模态和检测模态之间的频差以及品质因素Q。实验结果显 示：采用这种设计正交误差和失调误差得到了抑制。和开环检测相比，这种设 计能将标度因素非线性从16.02%降到0.35%，把最大测量范围从270/s 扩大 到370/s，将零偏稳定性从155.2/h提高到60.6/h。1 许宜申.王寿荣.微机械振动陀螺仪正交误差分析 2 Design
8、Principle of Suspension of MEMS Gyroscope 3 Dingbang Xiao,Xuezhong Wu.High Performance Structurally Decoupled Micro-machined Gyroscope.国防科技大学微系统实验室 4 Structure-Decoupled Dual-Mass MEMS Gyroscope with Self-Adaptive Closed-Loop Detection 5Byoung-doo Choi, Sanglun Park.The First Sub-Deg/HR Bias Stability, Silicon-Microfabricated Gyroscope.Seoul National University 6 周志广.常洪龙.微机械陀螺的误差抑制电路研究.西北工大微纳米实验室 7 Bo Yang.Bailing Zhou. A Quadrature Error and Offset Error Suppression Circuitry for Silicon Micro-Gyroscope.东南大学学报
