石英微機(jī)電陀螺的頻率干擾特性研究

林日樂，謝佳維，王 偉，董 勇，蔣昭興，冉龍明，李文蘊(yùn)，羅 華，朱振忠

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶400060；2.空裝駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶400060)

0 引言

石英微機(jī)電陀螺是一種微型哥氏(Coriolis)振動陀螺，該類陀螺具有精度高、溫度性能好、可靠性高和適合低成本批量生產(chǎn)等特點，可廣泛應(yīng)用在穩(wěn)定、控制、制導(dǎo)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。石英微機(jī)電陀螺工作時敏感芯片處于諧振狀態(tài)，敏感芯片結(jié)構(gòu)具有多種模態(tài)，前9階模態(tài)覆蓋頻率為3～21 kHz。敏感芯片的部分模態(tài)易受外部振動影響而導(dǎo)致敏感芯片產(chǎn)生共振，使陀螺產(chǎn)生零位偏移誤差，是影響陀螺綜合精度及環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵因素[1]。

1 石英微機(jī)電陀螺工作原理

圖1為采用雙端音叉結(jié)構(gòu)的敏感芯片結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為石英微機(jī)電陀螺的工作原理。由圖1，2可看出，驅(qū)動音叉被激勵并以其固有頻率諧振，在輸入軸向有角速度輸入ωi時，由于哥氏力的作用，使檢測音叉做受迫振動，振動幅度正比于驅(qū)動音叉運(yùn)動的速度和輸入角速度。利用石英晶體的壓電效應(yīng)，將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號，并通過放大、相敏解調(diào)和濾波得到一個正比于輸入角速度的直流電壓輸出[2-3]。

圖1 雙端音叉敏感芯片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 石英微機(jī)電陀螺工作原理圖

2 頻率特性分析

石英微機(jī)電陀螺雙端音叉敏感芯片具有復(fù)雜的模態(tài)振型，芯片的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定不同的諧振模態(tài)。利用有限元分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析，該類型結(jié)構(gòu)的前9階模態(tài)振型如圖3所示，其中第七、八階分別是驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)。驅(qū)動模態(tài)是驅(qū)動音叉在xy平面內(nèi)諧振，檢測模態(tài)是驅(qū)動音叉與檢測音叉在yz平面內(nèi)諧振。前9階模態(tài)覆蓋頻率為3～21 kHz。當(dāng)外部工作環(huán)境的頻率與敏感芯片部分模態(tài)頻率重合時會引起共振，導(dǎo)致陀螺零位偏移誤差。除驅(qū)動模態(tài)頻率和檢測模態(tài)頻率外，其他階模態(tài)(特別是與檢測模態(tài)振型相似的模態(tài))影響較大[4-7]。

圖3 雙端音叉敏感芯片前9階模態(tài)振型示意圖

對敏感芯片進(jìn)行3～21 kHz的掃頻分析(見圖4)，在其各階模態(tài)頻率處會引起共振，導(dǎo)致檢測音叉產(chǎn)生位移。雙端音叉結(jié)構(gòu)的石英陀螺敏感芯片，其檢測音叉上檢測電極的設(shè)計對音叉x、z方向的位移敏感，音叉在這2個方向產(chǎn)生位移，會通過石英晶體的壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號，如果該信號不能抵消或在信號相敏解調(diào)過程中抑制，最終將形成陀螺零位誤差信號。

圖4 檢測音叉掃頻仿真分析響應(yīng)曲線

在敏感芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計時，針對特定工作環(huán)境的干擾頻率，優(yōu)化芯片中易引起干擾的模態(tài)頻率，進(jìn)行錯頻設(shè)計，這能有效避免芯片在該模態(tài)頻率共振導(dǎo)致的零位偏移誤差。針對雙端音叉敏感芯片結(jié)構(gòu)，設(shè)計了2組不同參數(shù)，其前9階模態(tài)頻率如表1所示 。同時，由圖3可看出，其二、三階模態(tài)的振型主要表現(xiàn)為檢測音叉的同相或反相運(yùn)動，這兩階模態(tài)一旦在工作環(huán)境中引起共振，易引起陀螺零位偏移誤差。如工作環(huán)境有4.4 kHz左右(或其高次諧波)的頻率干擾源，將引起芯片的二階模態(tài)共振，導(dǎo)致零位誤差。為避免該情況，根據(jù)這兩階模態(tài)振型特點，優(yōu)化芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變這兩階模態(tài)的頻率，同時保持芯片驅(qū)動和檢測模態(tài)頻率基本不變，即對芯片中易引起干擾的模態(tài)頻率進(jìn)行錯頻設(shè)計，避免工作環(huán)境頻率對芯片的干擾，提升陀螺的振動環(huán)境適應(yīng)性。優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)后，參數(shù)組2的二、三階模態(tài)頻率變化了約4%，可有效錯開干擾頻率。

表1 雙端音叉敏感芯片前9階模態(tài)頻率(仿真分析)

3 實驗

3組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感芯片，其前9階模態(tài)頻率的實測值如表2所示。不同的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)改變了敏感芯片的各階模態(tài)頻率，特別是二、三階模態(tài)頻率，通過調(diào)節(jié)，頻率發(fā)生明顯變化，變化率可達(dá)6%。芯片部分模態(tài)錯頻后，避免了與外部環(huán)境特定頻率共振引起的零位偏移誤差。如圖5所示，敏感芯片的模態(tài)頻率與外部環(huán)境頻率產(chǎn)生共振，零位偏移誤差達(dá)0.5 (°)/s，進(jìn)行錯頻后，在該頻率點零位偏移誤差被有效抑制，零位偏移誤差減小到0.03 (°)/s左右，有效提高了陀螺的振動環(huán)境適應(yīng)性。

表2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的雙端音叉敏感芯片前9階模態(tài)頻率實測值

圖5 不同陀螺敏感芯片結(jié)構(gòu)在外部頻率干擾源作用下的零位輸出曲線

4 結(jié)束語

石英微機(jī)電陀螺是一種微型振動陀螺，工作時敏感芯片處于諧振狀態(tài)，敏感芯片具有多種模態(tài)，部分模態(tài)易受外部振動影響而產(chǎn)生共振，導(dǎo)致陀螺零位偏移誤差。通過敏感芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)行模態(tài)頻率的錯頻設(shè)計，將易受影響的模態(tài)頻率避開外部環(huán)境的特定干擾頻率，可抑制共振引起的陀螺零位偏移誤差，有效提高了陀螺的振動環(huán)境適應(yīng)性。