淺析微機(jī)械石英陀螺的設(shè)計(jì)

余德林

（湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢，430079）

淺析微機(jī)械石英陀螺的設(shè)計(jì)

余德林

（湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢，430079）

本文根據(jù)振動(dòng)陀螺的工作原理，利用公理化設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了分析，建立振動(dòng)陀螺設(shè)計(jì)模型，使用該模型石英振動(dòng)陀螺儀傳感元件—石英音叉片進(jìn)行分析。利用有限元法是應(yīng)用于音叉電子晶片靈敏度數(shù)據(jù)分析，評估其優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)石英音叉片解耦，為其他的設(shè)計(jì)提供有利的參考。

公理設(shè)計(jì)；靈敏度；振動(dòng)陀螺；石英陀螺

音叉的工作原理是在音叉保持持續(xù)恒定等幅振動(dòng)的作用下，一旦音叉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)受到柯里奧里力也就是慣性力的阻礙，不讓音叉轉(zhuǎn)動(dòng)，從而觸發(fā)了音叉在一個(gè)平面上的振動(dòng)，在振動(dòng)的同時(shí)，音叉的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是跟振幅成正比例系數(shù)的，同樣也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，進(jìn)而得出轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度。QRS有很多優(yōu)點(diǎn)，比如說：制作的本錢低、穩(wěn)定性好等等。此外，它的使用壽命很長，角速度測量范圍寬、響應(yīng)時(shí)間短、耐抗沖擊性強(qiáng)，屬于低精度陀螺儀。QRS波，音叉是陀螺振動(dòng)儀核心組件，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響石英陀螺儀的質(zhì)量。

1　機(jī)械陀螺的發(fā)展歷程

對于微型的機(jī)械陀螺認(rèn)知是從1980年左右開始的。在1988年的時(shí)候，全球最先發(fā)現(xiàn)硅基微機(jī)械陀螺的機(jī)構(gòu)是位于美國的Draper實(shí)驗(yàn)室。隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，1990年之后，LIGA技術(shù)和體硅工藝技術(shù)的發(fā)展壯大和技術(shù)成熟，更多的資源用來制作大質(zhì)量塊。在1988年發(fā)現(xiàn)硅基微機(jī)械陀螺之后，美國的Draper實(shí)驗(yàn)室于1993年又成功地將微機(jī)械陀螺在 60Hz帶寬的前提下使分辨率高達(dá)1.5°/s，這一微機(jī)械陀螺是由硅－玻璃鍵合工藝和單晶硅體硅藝二者結(jié)合制成的。隨著時(shí)間的推移，分辨率越來越高。1994年，同樣是美國的大學(xué)在 10Hz帶寬的前提下將分辨率提高到 0.5°/s。并在1995年時(shí)，陀螺與電路的單片集成技術(shù)成功研制出來，這樣技術(shù)的成功得益于表面微機(jī)械工藝技術(shù)的發(fā)展和成熟。之后，各個(gè)大學(xué)主攻陀螺的等效噪音角速度，并逐漸的提升等效噪音角速度的性能。在現(xiàn)代社會(huì)上這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。

2　科氏力原理

地球自轉(zhuǎn)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種力，科學(xué)家們稱為科里奧利力（簡稱科氏力，是一種非慣性參照系的慣性力）。相比于推拉力來說，科氏力其實(shí)不是“真實(shí)的”力，但是不可否認(rèn)它的力量是非常強(qiáng)大的，強(qiáng)大到可以造就臺(tái)風(fēng)的地步。在不斷旋轉(zhuǎn)的地球上，流體運(yùn)動(dòng)始終受到科氏力的作用，氣象學(xué)上又稱之為地轉(zhuǎn)偏向力。對于大尺度大氣運(yùn)動(dòng)，科氏力具有十分重要的意義。科氏效應(yīng)用圖片理解就是如圖 1所示 ，假如在旋轉(zhuǎn)的平面上，木塊相對于地面的速度為V=ωr。

3　基于設(shè)計(jì)公理的整棟陀螺的設(shè)計(jì)

在獨(dú)立公理和柯氏效應(yīng)雙重作用下，柯氏振動(dòng)陀螺的功能非常多，比如：

1）FRs1這種驅(qū)動(dòng)是提供被稱為迫運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的模式。在一般情況下，驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)優(yōu)選是恒定幅度 - 頻率諧波振蕩。只有這樣，才能使CoriolisFc的角速度，并進(jìn)入線性Ω。Coriolis振動(dòng)陀螺儀必須有一個(gè)結(jié)構(gòu)DPS1，為了產(chǎn)生這樣的驅(qū)動(dòng)器。目前，該驅(qū)動(dòng)器具有壓電，靜電和電磁這些類型。

圖1　

圖2　

圖3　

圖4　

2）在FRS2被感測的情況下，感測時(shí)所產(chǎn)生的向心力的振動(dòng)充分利用。當(dāng)前來說，科氏力而形成的電信號(hào)變化輸出是由壓阻、壓電和電容式振動(dòng)引起的。對于這個(gè)電信號(hào)的大小的線性關(guān)系來說，是由輸入的近似大小的角速度來決定的。這一功能結(jié)構(gòu)DPS2完成檢測。

3）FRs3是否在一定的比例產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)DPS1，Coriolis被傳遞到感測結(jié)構(gòu)DPS2。 DPS3實(shí)現(xiàn)這一功能是設(shè)計(jì)科里奧利振動(dòng)陀螺儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。精心設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生盡可能的DPS1，Coriolis被傳遞到DPS2，同時(shí)也能更好驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)感測不需要的耦合隔開。 因此，柯氏振動(dòng)陀螺的解耦設(shè)計(jì)矩陣如圖2。

4　微機(jī)械石英陀螺的分析

對于微型機(jī)械石英陀螺來說，它可以大體分為兩種，第一種是X軸上的基準(zhǔn)振動(dòng)，Y軸角速度輸入，在Z軸感測的振動(dòng)。例如，一個(gè)單端音叉型，夾在雙端音叉型之間，三叉指4叉指，上下三叉手指類型。第二種是在X軸，Z軸角速度輸入，感測的振動(dòng)或在X軸的基準(zhǔn)振動(dòng)。 如平面型石英陀螺。

微機(jī)械振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)的第一次討論。驅(qū)動(dòng)電極和如圖感測所述第一類微機(jī)械振動(dòng)陀螺的電極，見圖3。與此電極結(jié)構(gòu)可以在所引起的復(fù)合向心力的X方向叉指式振動(dòng)檢測和Z方向上的振動(dòng)被驅(qū)動(dòng)。

表1　石英陀螺的電壓靈敏度

對于音叉石英陀螺來說，它的結(jié)構(gòu)不是太復(fù)雜如圖4所示。在任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)器中，它必須有感測能力和交指的功能。

由于振動(dòng)式微機(jī)械陀螺由科氏加速度產(chǎn)生的輸出信號(hào)是極其微弱的電容信號(hào)，而且又隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率簡諧變化，所以在檢測方案中必須綜合考慮，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臏y量方法，以消除微小電容測量中存在的問題，如噪聲、寄生電容的影響，又要充分利用微機(jī)械陀螺儀差動(dòng)輸出的電容信號(hào)的特點(diǎn)。微機(jī)械振動(dòng)式陀螺是采用間接的方法測量輸入角速度，即通過測量由與輸入角速率成正比的科氏加速度引起的差動(dòng)敏感電容器的電容量變化，來測量輸入角速度。

5　敏度分析

靈敏度可符合輸入的衍生物，最好的函數(shù)的輸出數(shù)據(jù)來表示。石英陀螺儀，角速度輸入單元在一定的時(shí)間時(shí)，石英陀螺儀的靈敏度的大小是輸出電壓檢測電極。在最開始的時(shí)候，我們可以利用其他方法來預(yù)測石英的靈敏度。并使用該指標(biāo)來比較DPS3通過Coriolis感測電極，以效率不同的結(jié)構(gòu)。為了獲得精確的比較結(jié)果的結(jié)構(gòu)圖，在掩模的感測電極幾何這三種驅(qū)動(dòng)叉骨結(jié)構(gòu)和叉臂被設(shè)置為相同。

COMSOL Multiphysics是一種常規(guī)的物理現(xiàn)象和日常工具的數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型。他的創(chuàng)建模式非常傳統(tǒng)，步驟非常的簡潔。1）合理確定他的幾何模型；2）更加準(zhǔn)確的定義物理參數(shù)；3）將所述有限元網(wǎng)格；4）解決問題； 5）參數(shù)分析，拓?fù)鋬?yōu)化 ；6）可視化的處理器。同時(shí)，我們還必須注意一些問題：就是Coriolis的前被計(jì)算為新的邊界條件，執(zhí)行諧波分析。

在同樣單位的加速度、電壓、相同的條件下不同結(jié)構(gòu)的三種石英陀螺的靈敏度如表1所示。

6　結(jié) 論

隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是不斷提高的表現(xiàn)，而不是微機(jī)械加工技術(shù)的應(yīng)用，振動(dòng)技術(shù)的日益重要的領(lǐng)域陀螺慣性位置。它的設(shè)計(jì)在很大程度上取決于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師。建立給人們以科學(xué)的設(shè)計(jì)理論把握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科里奧利振動(dòng)陀螺儀公理化設(shè)計(jì)矩陣。同時(shí)，利用有限元分析的敏感性，將能夠作出預(yù)測石英陀螺儀的性能和測試在設(shè)計(jì)階段，它提供了用于隨后的其他工作的選擇，電路設(shè)計(jì)有用的參考。

（References）

［1］ 丁俊武，韓玉啟，鄭稱德. 現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論研究綜述［J］. 機(jī)械制造. 2015（12）:56-58

［2］ 劉宗林，李圣怡，吳學(xué)忠. 解耦型靜電力閉環(huán)微陀螺［J］. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015（2）:105-107.

［3］ 林日樂，張巧云，謝佳維，等. 微電子技術(shù)在石英微機(jī)械振動(dòng)陀螺中的應(yīng)用［J］. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014（4）:25-27.

［4］ Konno.Masashi.Andular velocity sensoe. USA. Patent 6237415.2001-05-29.