微谐振陀螺仪从半球到平面的演变

微谐振陀螺仪是一种固体波动陀螺,常采用微纳制造工艺进行加工,具有小体积、高性能、低功耗、批量化等特点。自1975年世界上第一个半球谐振陀螺诞生以来,微谐振陀螺的谐振子拓扑结构经历了三维结构到二维结构的演变。文章以拓扑结构的发展脉络为主线,对微谐振陀螺的发展过程进行了梳理和总结,最后对目前存在的问题进行了分析,对未来的发展进行了展望。

多环谐振微陀螺性能参数的有限元计算

多环谐振陀螺是目前最具发展前景的MEMS陀螺之一,如何快速对多环谐振陀螺进行参数优化设计已成为研究热点。从多环谐振陀螺的基本结构出发,通过理论研究,发现影响机械灵敏度和机械热噪声的主要结构参数为陀螺的谐振频率、有效质量、角度增益以及品质因子。使用COMSOL和MATLAB等软件搭建了有限元计算平台,实现了对上述性能参数的有限元仿真求解,为研究环形谐振陀螺结构的性能参数和优化设计提供了有力的软件仿真工具,并且可以推广应用到其他陀螺器件的研究中。

基于Simulink的微半球谐振陀螺仪闭环控制

由于微半球陀螺仪的高品质因数特性,其在惯性精密导引领域优势显著,然而相关学术研究较少,尤其是专用集成电路(ASIC)方面。针对自主研发的微半球陀螺仪,建立了陀螺及其驱动和检测电路的Simulink仿真模型。首先,借助二维弹簧阻尼系统得到了该陀螺仪的物理模型及其参数。实测结果显示,模型与实物之间的振动速率仅相差0.5185 mm/s,验证了模型的准确性。其次,提出了基于力平衡模式的锁相环(PLL)和自动增益控制(AGC)驱动回路以及检测回路的模型,并采用双相位锁定法进行幅度解调。最后,所得驱动回路模型频率与实际振动频率只差-0.1924 Hz,检测电路模型的标度因数为0.0311 V/[(°)/s],检测阈值为-0.0013(°)/s~0.0018(°)/s,相对其他模型改善了22.5%,所提出的微半球陀螺仪及其外围电路的精确模型建立方法和电路结构为后续ASIC设计奠定了基础。