全对称电磁驱动微机械振动环陀螺的性能优化与控制

本文主要探讨了一种创新的微机械振动环陀螺的设计与实现，其核心目标是通过优化结构和控制电路来提升陀螺仪的性能。微机械振动环陀螺是一种利用微电子机械系统（MEMS）技术制造的精密传感器，它采用电磁驱动和电磁检测的方式，确保全对称结构。这种设计的关键在于保持了结构的镜像对称和中心对称，这有助于减小驱动模态（用于驱动陀螺旋转的振动模式）和检测模态（用于测量角速度变化）之间的频率差，从而提高精度。 文章详细介绍了陀螺的加工过程，即采用MEMS体硅工艺，这是一种适合制造微尺度器件的技术，可以实现高精度和小型化的优点。通过这样的工艺，陀螺的整个结构具有高度对称性，这对于减小模态频率差异至关重要。 为了确保陀螺驱动模式的稳定性和跟踪其共振频率，设计了一套闭环驱动控制电路。这个电路包括低噪声前置放大器，用于放大信号；相位调整环节，可以精确地校准信号的相位；以及自动增益放大器（VGA），可以根据需要动态调整增益，进一步提升信号质量。通过这种方式，控制电路能够有效地控制陀螺的振动，使得两个模态之间的频率差仅为0.27 Hz，表明结构设计达到了良好的频率匹配。 在性能测试中，当陀螺以±200°/s的角速度范围工作时，显示出优秀的灵敏度，即8.9 mV/(°/s)，这意味着对于较小的角度变化，陀螺能提供较强的响应。同时，分辨力达到0.05°/s，这意味着陀螺能够准确地分辨微小的角速度变化。非线性度仅为0.23%，这表示在各种操作条件下，陀螺的输出与输入角速度之间的关系保持在一个理想的线性范围内，保证了测量的准确性。 这篇论文报道了一种基于微电子机械系统技术的振动环陀螺，通过精细的结构设计和闭环控制策略，成功地提高了陀螺仪的频率响应和稳定性，为高性能微型陀螺的发展提供了新的可能。这种技术的应用前景广阔，特别是在导航、惯性测量和精密仪器等领域有着巨大的潜力。