（精密仪器及机械专业论文）硅微陀螺仪测控系统数字化技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 随着对微电子机械系统( m e m s ) 的深入研究和取得的进展，以及目前市场对低成本、高可靠性以及 徽型证焦逮攀簧惑器熬霉求，疆毳l 规披阮螺纹己裁舞过去避：十年内广泛磷究帮发震熬童塞。著虽颈弱程 今后几年肉，疆微机械陀螺仪将会成为又一稀成熟躲硅徽惯往敏感器俘，广泛应用于诸多领域。对硅檄祝 械陀螺仪的研究，可以加速和促进我国对新型惯性测量元件的应用，这在黼新技术日益发展的今天有十分 重要豹研究徽义。 嚣兹对撩微振动院鳔 叟测控援寒豹礤究差要是采曩骥羧毫路豹方法，在实嚣应臻中，常常是要测量多 个轴的角遽庹，它靠卜般缀戚徽惯性测量零元( m i m u ) 的形式，用模叛邀蹲来实现剐十分复杂，裙互予撬 严重，现在的微机械传感器朝着智能化的方向发展，要实现这些都要求采用数字技术，另外数字电路不容 易受环境温度的影响，抗干扰能力强，系统功能更改灵活。针对此本文展歼了对微机械陀螺仪数字化技术 熟研究，研究的主要内容如下： ( 1 ) 研究了d d s 帮p w m 两弹陀鳔仪数字驱动方式，掇琏l 了采慝不对称栽刚采样算法避行p w m 驱动 的方法。 硅微机械振动陀螺仪要熊工作，就要健它的谐振器被驱动，研究了两种数字化的驱动方式，一种是唐 接数字频率会藏( d d s ) 驱凌，一静是躲爨调制( p w m ) 囊动，详细她磷究了d d s 驱动稻p w m 驱动秘 寡莲，对予d d s 是这种蛮接输出正弦波的驱动方式，详缁德给窭了魏俺设定幅谴，颓搴箨相位盼方法， 对于p w m 遂种间接形式，论述了各种驱动采样算法。针对d d s 驱动和p w m 驱动，驱动反馈控制的方式 有三种：调节赢流电压、调节交流电压、同时调节直流电压和交流电压，在每一种方式中都具体讨论了 d d s 和p w m 的硬件实现的结构形式。 对子奉系统两言，斑较方便静实褒方式是采鹰微建瑷器来实瑗土述算法，p w m 驱动籀瓣子d d s 囊旗 在这种方式中采用的器件熙少，实现闭环驱动更容易。p w m 闭环驱动的犬部分工作都忍依靠软件程序猩 微处理器中运行来实现，最后只是在输出引脚上表现出高低电平，而d d s 驱动在发出正弦波形就需要外 部有一个集成电路，因为相饿累加器的工干# 频率一般要求几十m 日至几疆i 冱b ，这显然不是靠纯软件能 实理戆，鞠斑缝耀巧控铡冀法毽鸯不舞鼗浆或电臻豹配会，实瑗起来叁然没存缝轻 孛那么灵活；霆憩本系 统采用p w m 方式作为硅微机械陀螺仪的驱动方式。在各种p w m 驱动薄法当中，不对称舰则采样算法其 有易实现，谐波干扰少的优点，因此在本系统中采用不对称规则采样算法来进行p w m 驱动。 ( 2 ) 比较了各秭检测驱动速度的算法，挝出了采用整流滤波实现驱动速度检测韵方法；提出了增益控制 算法，实瑷了驱动速度反馈控裁；提出了院媛裙魏驱枣颤攀控潮方法。 硅微机械陀螺仪的性能和驱动运动的稳定性是直接相关的，本系统采用闭环驱动。研究了各种检测驱 动速度的算法，整流滤波法、平方包络法、正交包络法，对本系统而言羧流滤波法的实现壤为有效。针对 d d s 驱动和p w m 驱动，驱动反馈控制的方式有三种：调节直流电压、调节交流电压、间时调节直流电压 窥交渡毫燕，羟每一静方式巾帮具体讨论td d s 窝p w m 浆硬孛 实觋鹣缝糖形式。除了矮传缤搦形式静逐 要有软件潺节算法来配合，蒋先给出了綦举的增益控铝l 舅法，然后对它进行改进，酸减小陀螺反馈控制环 路的振荡，掇商动态性能，增盏控制算法对d d s 驱动和p w m 驱动都是一样适用。陀螺仪工作一段时间厩， 它的谐振点会变化，为了保持陀螺仪工作性能不因此而降低，对陀螺仪的驱动频率进行控制，使陀螺仪工 作在谐振状态。 ( 3 ) 基出了采用同步采群技术遗行二次解灞酶方法，捧瑗f p g a 采产象籀应酶采棒躲洚。 陀螺仪经过一次解调之艏，得到的信簪含有有用信号和正交信号，它们是同频率的，这个频率等于驱 l 东南大学博士学位论文 动信号的频率，但褶位相差9 0 。，针对此本文提出了同步采样的技术对它避行二次解调来得到角速度信息， 这样大大减小了计鲜量。同步采样法猩抑制正交信号的同时，提取出了有用信号。还分析了同步采样法对 缓蹙趋势王舞，不嗣频率瓣豆三弦信号，夔撬鑫噪声等干撬豹静毒l 撵矮，对予除了歪交结芎鞋箨鹣务穆予撬， 阔步采样检测的作用相当于一个窄带的滤波器，对这些信号实现的有效抑制。同步采样检测疆求产生相应 的同步采榉脉冲，本文分析丁乘法器实现，锁棚环实现稍f p g a 实现的方式，数字系统中一般都有f p g a 器件，嚣髭本系统采霜了f p g a 实琨。不雳增热任蔼疆锋开镑，舞拜，f p g a 实现还缆起翻辅劲移福豹作 用。在同步采样算法中要求有滤波器环节，考虑到本系统是一个实时系统，对各种滤波器结构进行了分析， 级联形式的无限脉冲响应滤波器的计葵量最小，实时性能最好，最逶舍本系统。 ( 4 ) 探索了用欠采样技术进行硅微陀螺一次解调及相成的后续数字化的技术途径。 莛7 实现更毫的数字纯，对采焉欠采样技零进行一次艇调进括? 理论分辑。残满足载波熬数分频褥到 参考采样信号的情况下，从璃论上证明了欠采样方式等效于对没有载波的原始信号进行采样，两者得到的 数据对于后续的数字信号处理器而言悬一样的。本文对欠采样理论在硅微机械陀螺仪中的应用的具体技术 遴行了探索：餍欠袋徉按拳一次解诿嚣躲薅号簧述挥翦臻滂渡，为了使d s p 熬受搀减轻，捷壅了在f p g a 中进行滤波的方案，在实现滤波算法时，采用丁分布式算法( d a 算法) 以减少对f p g a 的资源消耗。在 信号进入d s p 中还要进荦亍二次解调才能得到所霈信息，可以采用壤法毹调或自适成解调，它们一般需蒙相 嚣正交静参考蓿号，采震了希尔镑特算法来实魂这个功髓。 ( 5 ) 设计开发了纂于p w m 驱动和同步采样检测的硅微陀螺数字澳4 控系统，并进行了实验验证。 根据前面研究静技术，采用了p w m 驱动和同步采样检测相结合设计，选用了商性毵的d s p 芯芹和 f p g a 芯片制作了硬件电路。在陀螺仪系统上采用了嵌入式操作系统为框架来组织各个模块软件。在生机 上采蠲虚擞饺器较传舞发了一个观测集程序。砖系缝遽学了裙步实验，嶷验续聚袭明本文舔变懿数字纯 驱动技术和数字化榆铡技术藏确，硅微机械陀螺仪数字系统的研究是成功的，为以后进一步掇高性能研究 奠定了良好的基础。 关键谰； 微机电系统硅微机械陀螺仪数字化驱动技术数字化检测技术微弱信号检测正交误差数譬信 弩娃理 l l a b s t r a ( 珂 a b s 瞰c 王 a l o n gw i t ht h er e s e a r c ha n dr a p i dd e v e l o p m e n to f m i c r o - e l e c t r o m e c h a n c i a ls y s t e m ( m e m s ) ，a n dt h e p e r s e n td e m a n df o rt o w - c o s t , s m a l la n dr e l i a b l ea n g u l a rr a t es e i l r o r $ , s i l i c o nm i c m m a c h i n e dg y r o s c o p e sh a v e b e c o n l e a m a j o r f o c u s o f w i d er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t i n t h e p a s t d e c a d e s 。t h e s i l i c o n m i e r o m a c h i u e d g y r o s c o p e sa r co i lt h ew a y t ob e c o m i n gam a s sp r o d u c tf o ra v a r i e t yo f a p p l i c a t i o n sw i t h i nt h ec o m i n gy e a r s a tp r e s e n tt h em e a s u r e m e t i ta n dc o u t r o lc i r c u i t sf o rt h es i l i c o nm i c r o m a e h i n e d 野r o s c o p o sa r ea n a l o gc i r c u i t s m o s t l y w h e nt h e r ei so n l yas e n s o r 抽as y s t e m 。i ti sr i o tap r o b l e m 。i nf a c t o n em o r es e n s o r sa r en e e d e di na s y s t e ms u c ha sm f 1 i n e r t i a lm e a s u r e m e n tu n i t ( m i m u ) 。r e a l 拨f 墙t h es y 鞋e 瓣w i t ha n a l o gc o m p o n e n t s 潞落ti n t h ef o l l o w i n gd i 掇c u l t i c s ：e a c hc o m p o n e n ty i e l d sa d d i t i o n a ln o i s ea n de s p e c i a l l vt e m p e m t u r ed r i r ；t h e d e v e l o p m e n to f r e a d o u ta n dc o n t r o ll o o p si se x t r e m e l yt i m e c o n s u m i n g i ns o m ea p p l i e s i n t e l l i g e n c ec a p a b i l i t i e s a rd e m a n d e df o rt h es e n s o r s ，b u tt h et a s kc a r l tb er e a l i z e dw i t ha n a l o gc o m p o n e n t s t oa v o i dt h e s ed r a w b a c k s 。 d i 西t a la p p r o a c ha r es t u d i e di nt h i st h e s i s , a n dt h ed e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed i g i t a ld r i v i n g t e c h n o l o g yi ng y r o s c o p e s w h e nt h em i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p es y s t e mi si nr u n n i n gs t a t e , t h eo s c i l l a t o ro f i tm u s tb e 辩t e 文i nt h i s t h e s i st w od i g i t a la p p r o a c h e sa r ei ns t u d y i n g o n ei sd i r e c t l yd i 西t a ls y n t h e s i s ，t h eo t h e ri sp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n i nt h ed i r e c t l yd i g i t a ls y n t h e s i sa p p r o a c h , t h ew a v ei sb r o u g h t 粘i ts h o u l db ed i r e c t l y , f o r m u l a sa b o u th o wt o c o m p u t et h ea m p l i t u d e , f r e q u e n c ya n dp h a s ea r eb r o u g h tf o r w a r d i nt h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o na p p r o a c h , s o m e a l g o d t h m sa r eb r o u g h tf o r w a r d ( 2 ) t h ed i g i t a lf e e d b a c kt e c h n o l o g yi ng y r o s c o p e sd r i v i n gl o o p m i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p e sa 糟d e v i c e ss e n s i n g a n g u l a ra c c o r d i n gt o 曲ec o f i o l i sf o r c et h a ti si n d u c e dw h e n t h e r ei sa n yr o t a t i o nf o rt h ev e h i c l eo t lw h i c ht h em i e r o m a c h i n e dg y r o s c o p e sa r em o u n t e d 。s ot h ep e r f o r m a n c eo f t h em i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p e si sa f f e c t e db yt h es t a b i l i t yo f o s c i l l a t i o n t h e a t h r e ea r c h i t e c t u r e si nf e e d b a c k 1 0 0 p , d cr e g a l a t i o n a cm g u l a t i o nb o t hd ca n da cr e g u l a t i o n i ne v e r ya r c h i t e c t o r e h o wt or c a l i z eb o t hd d s a n dp w m d i r v i n gi sd i s c u s s e d t h ec o n t r o lp o l i c yi sd i s c u s s e ds ot h a td y n a m i c sp e r f o r m a n c eo f t b eg y r o s c o p e c a nb ei m p r o v e d 1 1 1 ep o l i c yi ss u i t a b l ef o rb o t hd d sa n dp w md r i v i n g 1 1 1 eo s c i l l a t i o nf r e q u e n c yv a r i e st h et i m e s i n c ei ti sp r o d u c e d t og e tt h eg y r o s c o p e sb e s tp e r f o r m a n c e , t h ed r i v i n gf r e q u e n c ys b o u l db et u n e ds ot h a t g y r o s c o p el si no s c i l l i a t i o n ( 3 ) s y n c h r o n i z a t i o ns i ps a m p l i n gi nd e t e c t i o n a f t e rt h ef i r s td e m o d u l a t i o n t h es i g r u af r o mt h eg y r o s c o p ei sc o m p o s e d b yt h es e n s es i g n a la n dq u a d r a t u r e e r r o rs i g n u l 。t h e 3 , h a v et h ef a i l l ef r e q u e n c y t h ed i r v i n gs o l l r f o r t u n a t e l yt h ep h a s ei sd i f f e r e n tf r o me a c h o t h e r , t h e ya r e9 0 。o u to f 两a s e s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a ls a m p l i n gt e c h n i q u ei sa p p l i e dt ot h i ss i t u a t i o nt og e t t h ei n f o r m a t i o na b o u tt h er o t a 船r a t es u b s t i t u d i n gf o rt h es e c o n dd e m o d u l a t i o nw h i c hi su s e dt r a d i t i o n l y t h e r ea r e s o m ea d v a n t a g e sw i t ht h es y n c h r o n i z a t i o ns i g n a ls a m p l i n gt e c h n o l o g yu s i n gi ng y r o s c o p e ：b n l yal i r l ew o r ki s d o n ei i lm i c r o p r o c e s s o r m a n yk i n d so f n o i s e sc a nb ed e c r e a s e d 固u n d e r s a m p l i n gt e c h n i q u ei nd e e t e e t i o n t h en u n l b e to f a n a l o gt o m p o n e n t ss h o u l db er e d u c e dt om i n i m u ma n dt h es i g n a ls h o u l db od i 西t i z e dd i m c t l y a f t e rt h ef i r s ta m p l i f l c a t i o ns t a g ei f u n d e r s a m p l i n gt e c h n i q u ei se x p l o i t e df r o mt h ef u - s td e m o d u l a t i o ns t a g e a t i e r t h eu n d e r s a m p l i n gs t a g et h es i g n a lm u s tp a s sad i g i t a lb a n d p a s sf i l t e rt or e m o v es o m en o i s e i tc a nb ed o n eb y f p g as ot h a tt h ed s pe 秘d oo t h e rc o m p u t a t i o na n dh a sn o to v e r b u r d e n t or e a l i z ei n 瀚ad i s t r i b u t e d a r i t h m e t i c se x p l o i t e dt oa v o i de x p e n d i n gt o om u c hr e s o o r e e a t i e rf i l t e r i n gd i g i t u lp h a s e - s e o s eo ra d a p t i v e t e c h n i q u ec a nb eu s e dt oe x t r a c tt h er o t a t i o nr a t ei n f o r m a t i o n 1 nt h o s ea l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o n st w or e f e f e n c e s i g n a l sa r en e e d e d h i l b e r tt r a n s f 0 1 1 t li se x p l o i t e dt og e n e r a t dt h e m 珏1 东南太学博士学位论文 ( 5 ) t m p t e m e n t a t i o na n dt e s t a ne x p e r i m e n t a ld i g i t a lm i e r o m a c h i n e dg y r o s c o p es y s t e mi se s t a b i l i s h e dw h i c hc o m p o s e so f d i g i t a lp w m i n d r i v i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o ns i g n a ls a m p l i n g i nd t e e t i o n h i g h - s p e e dd s pa n df p g aa l eu s e d 融t h ee m 醅d d e d s y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tar e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mi sa p p l i e d t om a n a g ea l lk i n d so f m e d u l e s o n 协ep c d e s k t o ps y s t e ma v i r t u a li n s t r u m e n ta p p l i c a t i o ni sd e v e l o p e dt om o n i t e rt h ed i g i t a lg y r o s c o p es y s t e m s o m e t y p i e a lt e s tr e s u l t sa r cg i v e n t h et e s ta n de x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h es y s t e ma n dn l ed 谵i t a lt e c h n i q u e su s e di n t l l ss y s t e ma r ee f f i c i e n t k e y w o r d s ： m e m s ，s i l i c o nm i c r o m a e h i n e dg y r o s c o p e ，d i g i t a ld r i v i n g ，d i g i t a ld c t e e t i o n ，d e t e c t i o no f w e a k s i g n a l ，q u a d r a t u r ee r r o r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g w 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：至乏4 日期：2 0 0 7 年4 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文挡，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文挡的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垂丞生导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 传统上人们讲的陀螺，从仪表工程的角度上讲，是指缀自己的对称轴蒜速旋转的对称物体。一个高速 旋转嚣秘傣箍毒镶大魏燕魂爨。莲兹翠在1 8 5 2 年嚣餐裁怒阮鳔定义鸯一耪吴毒夫角动爨瓣装置。这静旋 称为陀螺的物体运转起来以詹，常常表现出一种出乎人们预料的、也是十分有趣的运动形式而引入洼目 陀螺装鬣的重要意义感它在导航技术领域中的应用。理论力学的角动量定理告诉我们，在没有外力矩 作用对，角动量向量在惯性空间保持不变黝方位，从而陀螺可以为运载体的导航系统提供一个方向基礁， 这裁是陀螺瓣霆辘牲。另一方嚣，彰瑗藏穰黪正力矩瓣方法，可班控剩舞动塞自量按要求穗对蠖往空瓣媛 变方向，遮就是陀螺的避动健。 利用陀螺的这些特性，人们不断地研究、设计和制造了一系列的陀螺仪表，供水上和水下，陆地和空 中的运载体侉为方位测量和方位控制，轨道测量和轨道拄制使用。早期豹陀螺仪表有船舶稳定器，陀螺罗 盘，天王逢警役等。疆萋烧海、靛空秘簸天毅零豹发震，擞赛每主要蓬家鄂投入大量静入力和耱力嚣矮7 改善陀螺仪袋性能和研铺新凝陀螺的工俸。鲮而出现了赢耩度的液浮陀螺，静电陀螺，激光陀螺跌及陀螺 稳定平台，惯性导航系统等。 1 1 陀螺仪性筵指标 陀螺仪鼹剃用惯性原理测量载体角速度或角位移的一种精密仪器。分析和评价陀螺的性能时制定了一 些衡量指标，这些指标反映了陀螺的测量精度，测量范围，分辨率( 灵敏度) 及陀螺耐冲击能力等性能， 这些性能决定了陀螺的应用鞭域，铡造窃在籀述自己的产晶时常用到这黪指标，在设计翱研制陀螺时也必 矮考虑这些露辑，下瑟讨论院螺獒主要经辘据振，荠黠藏蠛获尼拿方嚣慕遴行分类。 陀螺的性能指标主要有： ( 1 ) 零偏与零偏稳定性 陀螺在没誊角速率辕入懿软态下理论上耱密舞0 ，毽安嚣上强蔻毒手撬噤声莓磊产缀绱舞，透露褒凳 角速率输入袋件下较长时阅测量得到的输出值的均值等效折算成输入角速率来表示。在炙角速率输入敞悉 下的长时间稳态输出是一个平稳的随机过程，即稳态输出将阐绕均值( 零偏) 起伏和波动，通常用规定时 间内输出量的标准偏差所对成的等效输入角速率表示，称为零偏置稳定憔，或简称“零漂”及“偏置稳定 性”，零漂德的丈小标恚羲蠛测篷丽绕零镳魏离数程疫。对疆檄规城陀螺来说，结构材料受温瘦影响改较 大，掰羧零偏稳定性往往程蘩溢凄篆律下绘毽，翔菜陀螺瓣零镳稳定毪程2 9 8 k 条件下为蛹1 d e g s ，褒 ( 1 8 8 k 一2 3 3 k ) 范围下为1 i d e g s ，经过濑度补偿后则保持在o 3 d 吲s 。 ( 2 ) 标成因数s 及标艟因数非线性度 阮螺憝稚菠嚣数是撂院蠓浚窭量每翰入璧戆笼毽，这个院篷是撮撂熬个输入蔻速率藏溺内涮褥静辕入 输出数据，通过最小二乘法拙合求出的赢线的斜率。实簖上标度因数掇会盼残差决定了该拟合数据的可信 程度，表征了与陀螺实际输入输出数据的偏离程度，称为标度因数非线饿度，用百分数戏满量程的百分数 表示，如某陀螺的标度因数非线性度 l o o h z ) 。 ( 4 ) 角度隧援游走系数 当陀螺处予零输入状态时，陀螺的输出信号为自嗓声信号和馒变随机霸数的叠加，其慢变随机函数可 用来确定零偏或零偏稳定性指标，白噪声定义为单位检测带宽平方根下等价输入角速率的标准偏差，单位 为d c g s , h z 或d e g h 4 雨。这个白噪声也可以用单位为d 吲“的角度随机游走系数来表示，随机游走 系数是豢由怠噪声产生麴疆时瓣鬃积的陀螺竣溅误差系数。当终舞条舞基本不变，霉扶为土戮掰分辑翦各 挚争酸声的主要褥缝是不蘧时闻撼移丽改变静，敞某种意义上来说，角度琏辊游走系数反浃了阮嫘豹研割永 平，也反映了陀螺的最小可检测角速率。 ( 5 ) 带宽 带竟是撵院壤缝够精臻铡豢输入囊速率戆颡搴范嚣，这个蕊溺越夫表鹗院燎麓动态嘛皮戆力越强。 ( 6 ) 测量藏阐 陀螺正，反方向输入角速率的最大值表示了陀螺的测量范围。该最大值除以阈值就是陀螺的动态范围 动态范嚣越大表黎陀螺检测输入舞遮率麓能力鹱越强。 根据不同的性能指标，国外的资料1 h 2 】f 3 j 串挺陀螺按照它们的性能分成三个级别：惯性缎，战术级和 速率级器件，表i - i 小结了对遮三个级别的要求。 表i 1 不同级别陀螺的参数要求表 参数速率缓藏本缓楼往缀 标度因数精魔( f s ) o ，l - lo 0 0 l - o 1 5 0 0 4 0 0 带宽( h z ) 7 01 0 0 n 1 0 0 对微机械陀螺丽言，它的体积( 或面积) 尺寸也是一项性能指标。 1 2 研究的目的和意义 2 0 世纪8 0 筇代后期，随着大规模和超大规模集成电路的发展，微电子加工工艺不断渗邂剿机械制造 狂渡，献嚣出现了稚卷9 1 人注嚣懿毅兴技术微鞔电系统( m i c r oe l e e t r o m e c h a n i e a ls y s t e m 鳃稼m e m s ) 投零。m e m s 按零融合了徽电予技术和精密概辍穰工等多静擞蕊工技术，在徽米量缓蠹设诗翱刳造徽传感 器、微执行器，并将它们与微电子信号调理单冗，数字信号处理单元、微电源、通讯接口电路等高密度集 成于一块芯片上。同时具有一种戚几种相互独巍的功能、适合予低成本大批大量生产的微系统。 擞规电系统传梵徽米纳米科学与技术的一项莛簧骚究蠹客，受戥了广泛麴d 鬟程，其发震攘动了徽馁性 嚣粹和檄侯性测麓单元( m i c r oi n e r t i a lm e a s u r e m e n tu n i t ，蔫称m i m u ) 技术的茇装，导致新谯徽辊棱侯毪 嚣件的产生，其中徽机械陀螺仪t q 然成为一个倍受关注的领域和研究热点在军用和民用方面皮用广泛 p o + 1 3 4 1 。硅微机械陀螺与传统机械陀螺相比，其赢幕优点如下【2 8 | 【”i ： ( 1 ) 微型化。采用硅微机城搬工技术和拳母体集成电路z 慧制造魄硅微梳辕振动陀螺佼，其结梅夺， 鬟繁轻。镦瓤壤院螺，冠寸丈夸一般在毫米的量缀，重量一般莛麓宠魏量级，敷荧阑薅雷珀实骏窒( c h a r l e s s t a r kd r a p e r l a b 简称c s d l ) 为例，其研制的徽惯性器件边长一般小于2 m m , 嫩量在1 毫克左右。 ( 2 ) 易于集成批量化。由予采用了硅作为加工材料，与微电子集成电路制造工艺的兼容性好，采用 2 第一章绪论 表面加王_ 工艺的微机械陀螺已经可以和微电子线路一起加工制造，采用s o l 工艺等厚硅材料的技术也实现 了和微删n i - - 体化，其他的工艺也在朝着这方面发展。由于采用了微电子加工技术，因此能像 集成电路工业那样实现大批大量生产，极大地降低了单个传感器的生产成本，有利于推广使用。 ( 3 ) 可靠性高。传统的陀螺仪一般有一个高速旋转的大质量体，相应有轴承等组件，是多个构件的 组成。而微机械陀螺仪从加工方面考虑，采用振动质量块的形式，整个结构是一体的，抗冲击能力强，有 的甚至能够承受1 0 00 0 0 9 以上的冲击。硅微机械陀螺仪由于可以采用大批大量制造技术，体积小、成本低、 在应用系统设计时可采用冗余配置，从而提高可靠性。另外机械结构和微电子线路集成在一起，减少了外 界干扰的影响，提高了可靠性。 ( 4 ) 功耗低。硅微机械陀螺仪体积小、重量轻，通常工作在真空状态下，其工作电流在1 0 4 a 量级， 一般功耗在pw m w 级，因此功耗是非常低的，非常适合于各种便携式设备或需要长时间进行野外工作 的设备。 微机械陀螺相对于传统的陀螺的最大优点就是微小，传统的陀螺主要是用在军事上除了价格因数外， 体积过于庞大也是一个重要原因，微机械陀螺仪一些重要应用有微惯性测量单元，汽车安全防护，微型机 器人，虚拟现实，消费电子，心脏监视等。这些传感器一般都需要后续数字电路进一步处理，使得它们具 有一定的智能性，如果在传感器部分也采用数字技术，就能使整个系统更加紧凑，减小体积，降低成本， 从而使市场前景更加美好，另外陀螺仪数字化还有以下优点 ( 1 ) 精度高。模拟系统的精度依赖于元器件参数的精度，与所用的材料、工艺很有关系。而数字系 统的功能实现是执行二进制数的数学运算来实现的，而二进制数的运算精度是由有效字长来决定的。1 7 位 字长就可以达到1 0 4 精度。系统可以轻易地把字长加到3 2 位、“位。 ( 2 ) 可靠性高。数字系统只有两个电平，抗干扰能力强。并且干扰不积累。 ( 3 ) 系统通用性好。模拟系统参数由元件值一次固定，数字系统参数可以轻易改变。比如对于一个 陀螺系统进行数字滤波，只要改变一下参数，既可以作低通滤波，又可以作高通滤波，特别是对于极低频 的信号，模拟电路对电容电感的要求使它们的体积达到惊人的地步，而数字系统无此要求。 ( 4 ) 可多路处理。微机械陀螺仪的一个主要用途就是组成m i m u ，它通常要求三路陀螺信号和三路 加速度信号，使用同一套数字信号处理系统就可以对这么多路信号进行处理，不但减小了系统体积，而且 由于模拟环节大大减少，从而相互之间的耦合干扰也消除了，提高了整个系统的精度。 ( 5 ) 实现虚拟陀螺比较方便。由于微机械陀螺可以大批大量生产，体积又非常小，因此可以在一个系统 中采用多个微机械陀螺来对同一个被测量进行测量，测得的值进行各种数字信号处理，最后提供给用户的 就是角速度的值，在这里，陀螺阵列和数字信号处理器作为一个整体被用户当作陀螺，单个的陀螺输出的 初始量不是直接的角速度量，但含有角速度信息。采用虚拟陀螺的形式可以提供高精度更加准确的的信息 和冗余备份能力。 由此可见，对微机械陀螺仪进行数字化研究是非常必要的，具有很大的实际意义。 1 3 国内外研究现状 硅微惯性敏感器在国外已有2 0 多年的研究历程，美国、日本及欧洲等主要发达国家均斥巨资予以开 发研究，其研究水平也走在前列。2 0 世纪8 0 年代以来，美国的德雷珀( d r a p e r ) 实验室、 加州大学伯 克利分校、桑地亚国家实验室、罗克维尔公司、j p l 公司、l i t t o n ( 利顿) 公司、a d 公司，除美国外， 德国”、日本 9 1 。【”1 、韩国【1 3 1 【、英国 1 7 1 - 2 0 1 、俄国”1 卜l ”1 芬兰。【2 7 j 等相继开展微硅陀螺、微硅加速 度计等微型惯性仪表的研究，有的己形成产品，进而进行微型惯性测量组合的研究p 7 1 - 4 4 。 1 3 1 国外硅微机械陀螺仪的研究现状 东南太学博士学位论文 在微机械陀螺仪研究领域。溅无疑问美国处于领先地位，但其它国家也发展迅速，开发设计出了各种 形式的陀螺仪，主要有以下几种代表性的结构形式： ( 1 ) c s d l 醚徽框黎式角搬动陀螺便 1 9 8 8 年，荚囡德雷珀实验黛首先研制出采用平板电容驱动的双框架式硅微型角振动陀螺仪h 3 i “】，如 图i - i 所示。它由内、外两个框架组成，其中外框用于驱动，内框用于敏感检测，角速率测爨范围为5 0 5 0 0 。s ，室溢下偏嚣稳定牲为5 0 廿h 。 圈1 一lc s d l 硅赣稚絮式角振魂陀螺役强i - 2c s d l 音哭茂线强动陀螺便 ( 2 ) c s d l 膏叉式线振动陀螺仪 1 9 9 3 年，德雷珀实验室研制出一种音叉式线振动陀螺仪4 q 删l ，如图l 屹所示。它采用线振动驱动。 燕振动敏感检测，箕性髭指标较框桨式硅微陀螺仪膏较丈提薅，在1 0 0 r e t o r t 囊空条律下，鹱动轴与检测 辅的q 值分澍为4 0 0 0 0 和5 0 0 0 。标度函数为5 0 m v r a d d s 。 # 线性 o 2 ，程6 0 h z 带宽下，补偿后静偏转 稳定性达3 3 0 h 。1 9 9 9 年己达l o h ( 带温控) 。这个陀螺仪的媛大特点是采用了加州大学伯嵬力研制出的 线性梳齿式静电驱动的谐振器【5 1 h ”1 ，这种结构形式是后来绝大多数硅微机械振动陀螺仪采用的形式。 ( 3 ) c s d l 搬魂辁式陀蠓纹 1 9 9 6 年，德雷珀实验室研制出了硅微振动轮式陀螺仪p 】，其结构如图1 3 所示，它的鞭动和敏感都 魑采用角振动的形式。它采用了粱中心轴姐杆结构，幽初德雷珀实骏蟹提出这种结构的目的就是 减4 , 带t l 造工艺误藏对陀螺仪设计值的影响，相对于音叉式线掇幼陀螺仪，它的结构简单，对称性容易保证， 从嚣使攘工误羞慰驱动摸态秘敏感摸态憩影确一致，在强撵瓣矮羹馕况下，它熬敏感电容魄较大，最终撬 簿信噪眈。遁是遮种结构韵动梳拨和敏感霰璧被加工成为一个g g 性的整体，因此驱动模态和捻测模态之闻 的耦合比较严重。 图i _ 3 c s d l 振动轮式陀螺仪 图1 4 振动环式陀螺仪 ( 4 ) 密歇搬大学振动环式皴徽陀螺仅 1 9 9 5 年，密歇根大学( m i c h 垃黼) 研制出种振动环式硅微陀螺仪删邓2 i ，如图1 - 4 所示。它需要至少8 个完全一样的半圆支撑环来维持结构的对称平街，并保证两个模态具有相同的嘲有频率。驱动模态和检测 4 第一章绪论 模态皆以椭圆形在平面内振动，两个模态振动方向间的夹角为4 5 。完全对称的结构使得它对无用输入振 动信号不敏感，且受温度影响较小，从而具有较稳定的灵敏度。另外，结构制造上的不平衡偏差可以通过 电调谐来补偿。2 0 0 1 年时， l h z ，分辨率为o o l 。i h l f 瓦z ( 5 ) 德国i m i t 研究所的解耦陀螺 德国i m i t 研究所( i n s t i t u t eo f m i c r o m a c h i n i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 1 9 9 7 年研制出两种模态解 耦的陀螺，他们称之为l l ( t w ol i n e a r o s c i l l a t i o n s ) 陀螺和r r ( t w or o t a t i o n a lo s c i l l a t i o 陀螺【6 3 】一【“，分别如图 1 - 5 和图l - 6 所示，这两种结构使得驱动模态和敏感模态之间的耦合大大降低，其原理就是与驱动相关的 结构和与敏感相关的结构不再是一块刚性的整体，而是分别有一块质量块，这两块质量块之间采用柔性结 构进行连接，从而使两个模态之间的运动隔离， 图i - 5 i m i t 的l l 微陀螺仪图1 - 6 1 m i t 的r r 陀螺仪 图l 一7j p l 苜蓿叶式陀螺仪 图1 - 8 动力学放大的垂直轴陀螺 图1 - 9 解耦动力放大垂直陀螺 图1 1 0 动力放大框架扭转式陀螺 ( 6 ) j p l 苜蓿叶式陀螺仪 美国加州理工学院喷气推进实验室( 简称j p l ) 研制的苜蓿叶式微机械陀螺仪畔h 7 ”如图1 7 所示，采 用微加工工艺和微组装工艺实现了一个混合结构的微机械陀螺，因为是混合陀螺，整个结构不是一整块， 不同的部件可以分别制造，这样的话结构的大小和形状就可以更加灵活地制造，从而获得比较大的质量块， 性能也随之提高。在这个陀螺仪中，中间那个圆柱形部件就是所得到的大质量块。当然，这种陀螺仪的加 工和制造相对来说比较复杂，加工成本要高一些，所以它的仞始设计应用目标主要是太空船的导航控制。 2 0 0 2 年中期该陀螺在实验室己达到0 1 。h 的零偏稳定性，可工作在- 5 4 。c 8 5 。c ，其目标性能为o 0 1 。i l 。 5 东南大学博士学位论文 2 0 0 1 年荚匿摭蠖大学教系缝实验室提出了一耪耨工作器蠖熬硅徽规槭垂畿辘陀螺，嚣采鹰了两个极械 缎构，一令构 串谐振并耩合能壁捌第二个构律，并对第二个璃佟鼢运葫迸行测鬃【7 “。魏图 培掰示，该陀 螺的驱动和检测均采用了动态放大。这种工作原理的陀螺是对以往工作在谐振状态的微机械陀螺的一种改 谶。 与工作在鹱动 藩扳频率的院螺相晓，繁宽璞棚了至少1 5 傣，驱动颓率绱移1 畦，输出售弩援产生o 8 豹编差，_ 蠡工作程驱动谐振颓霉静酡螺输出售蟹产生终2 0 戆偏差。两且，鬃潮动力学藏夫静阮螺性能受 缩构、热参数波渤及阻尼变化的敏感性降低，从而提高系统长时阃工作的稳定性，系统控制要求以及加工、 封装要求比原来激松。美国加州大学微系统实骏赛于2 0 0 3 年提出了解耦的动力学放大垂直轴醚微陀螺吲 ( 如图i - 9 所示) ，2 0 0 4 年提出了驱动采用动力学放大的水平轴碱徽框架扭转式陀螺”l ( 如图1 1 0 所示) 。 1 3 2 莺蠹毽微祝壤陀螺纹豹研究瑰狡 图i - i1 东南大学研制的角振幼式陀螺( a ) 翱线振动式陀螺( b ) 我国的m e m s 技术研究王释起步较迟。最然起步较晚，识我国政府对m e m s 技术的研究十分重视， 磁积极开展研究1 9 9 5 年底，在服国家科委、国窳教委、国防科正委和国家自然科学基金委员会的联合主 持下，召开了第三属微米膜相米技术全国研讨会。会上提出以m i m u 中的微惯性仪表作为“九赢”主攻方 睡，匿家懿8 6 3 巍技术计划孛像专门列顼磅究m e m s 技术。扶1 9 9 5 年来开赡，嗣防辩工委馁投入6 0 0 0