四模态匹配三轴硅微陀螺仪.pdfVIP

第 2l卷 第 9期 光学 精密工程 VoI．21 NO．9 2013年 9月 OpticsandPrecisionEngineering Sep．2013 文章编号 1004—924X(2013)09—2326—07 四模态匹配三轴硅微陀螺仪 夏敦柱 ，孔 伦，虞 成 (东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室，江苏南京210096) 摘要 ：为 了实现单片集成六 自由度微惯性测量单元 ，提 出了一种改进的由4个大质量块和4个小质量块组合而成 的四方 全对称结构的三轴陀螺仪 。介绍了该惯性测量元件 的结构及T作原理 ，根据结构参数计算出了详细的性能指标 ，并进行 了面 内驱动模态和面内外的敏感模态仿真 。为提高各敏感模态 的机械灵敏度 ，提 出采用双重静电频率调谐方案 ，即先对 公共质量块施加凋谐 电压 ，使驱动模态和航 向模态 的频差最小 ；再对小质量块上方的多晶硅 电极施加另外 的调谐电压 ， 最终使 四模态频率偏差小于30Hz，从而说明该频率调谐方法是有效 的。然后 ，通过分析热弹性 阻尼能量耗散机理 ，对 驱动及敏感谐振模态的品质 因数进行仿真。结果表 明：真空环境不考虑空气阻尼情况下，两种模态 的品质 因数分别为 23816和 19507。最后 ，基于表面加T和体加工工艺，设计 了高深宽比的加T流程。对该 四方对称解耦结构的设计和仿 真表 明其模态匹配和品质因数性能满足三轴陀螺的设计要求 。 关 键 词 ：三轴 陀螺 ；模 态匹配；正交十字梁；热弹性阻尼 中图分类号 ：U666．1 文献标识码 ：A doi：10．3788／OPE．2o132109．2326 Four—modematchingtri—axissiliconmicr0gyr0sc0pe XIA Dun—zhu ，KONG Iun，YU Cheng (KeyLaboratoryforMicro—inertialInstrumentandAdvancedNavigationTechnologyrJ．／the MinistryofEducation。SoutheastUniversity，Nanjing210096，China) *Corr 户0行 gauthor，E-mail：xiadz 1999@163．corn 一 Abstract：A tri—axisgyroscopewiththeimprovedsquaresymmetricalstructureconsistingoffourlargeproof- massesandfoursmallproof-masseswasproposedtorealizeamonolithicsixDegreeofFreedom inertialmeas— urementunit．Firstly，thestructureanditsworkingprincipleoftheunitwereintroducedandtherequired performancewasgivenbydetaileddesignparameters．Then，themodalanalysisforin-planedrivingmodeand out—planesensingmodewassimulated．To increasethemechanicalsensitivityforeachsensemode，aduale— lectro-staticallytuningmethodwasadopted．Inthismethod，atuningvoltagewasfirstappliedontheproof- masstomakethefrequencyshiftbetweendrivemodeandyaw modeassm