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什么是振动盘式MEMS陀螺?
- 2020-04-20-

       Draper实验室研制的音叉-2形陀螺.(Tuning Fork Gyro-2,TFG-2),包含2个平面状硅质元件,这2个平面状硅质元件通过折叠臂悬挂在玻璃衬底上,可以在平面内做180°振动。尺寸在300x400 um量级上。由于科里奥利作用力引起的平面外的运动可以通过检测质量元件和衬底之间的电容变化得到,这种MEMS陀螺的一个典型性能指标是:平面内1rad/s的输入角速度引起作用在质量元件上的力大约为9x10-8 N,在垂直于电极方向最大有1x10-9 m的峰值位移,3 aF (10-18 F)的电容变化。1°/h 的角速度分辨率需要能够检测出5 x10-15m的位移和大约每个运动周期0.25电子的电量变化。Draper 实验室已经将这种技术转让给Honeywell公司。性能测试数据表明最近的TFG的敏感范围在3 ~50°/h (3σ补偿),工作温度范围为-40℃-85℃,振动输人可到12000g。 这些性能已经在增程制导弹药和所有的抗击弹药高级技术制导炮弹中得到验证。Draper/Honeywell TFG系列陀螺设计已经经过验证,这种陀螺可以应用在高-g场合,而且性能在不断增强,制造技术也在提高。振动平面技术已经在Honeywell的HC1900、1930、1940 IMUs中得到应用,1940 IMUs尺寸为2立方英寸。

       许多平面振动式陀螺都是梳状驱动的,这种梳状驱动装置由加利福利亚大学伯克利分校发明。梳状驱动装置采用多种结构设计以减少敏感元件与驱动之间的耦合效应,如平面式、垂向式及振动圆盘式。研究表明性能最好的厚度在50~100μm之间。MEMS制造上的瑕疵很容易导致不必要的性能误差,因此关键在于制造技术的进步,且设计对制造工艺要求不是那么苛刻的MEMS陀螺,从而提高性能,降低成本。Analog Device公司已经制造出民用的ADXRS陀螺,其敏感轴和驱动轴都平行于衬底,这种陀螺可以工作在气体环境中,但性能则有限。

       另外一些不依赖梳状驱动的平面振动式MEMS陀螺也在发展中。这种设计不要求梳齿间具有很窄的间隙和很高的制造精度。JPL 实验室的MEMS陀螺,采用2自由度的4片三叶草形状元件悬挂在4个弹簧上,包括1个垂直的柱状质量元件,通过绕位于三叶草叶片平面内的一根轴 做摇摆运动来驱动。这是一种垂向式陀螺(即测 量的是垂直于三叶草页面的轴向角速度)。日本正在发展一种双万向轮结构驱动和敏感电磁感应的MEMS陀螺。挪威Sensnor公司正在发展SAR500型高精度MEMS蝴蝶陀螺,其设计性能为: ARW为0. 002° /√h.零偏稳定性为0.04°/h,零偏重复性为0. 1°/h。SAR500陀螺的敏感轴位于上下两层敏感平面内,这种设计可以提高灵敏度,还可以调节敏感元件和驱动之间的谐振,以便进行动态积分补偿。

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