[发明专利]一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机械陀螺仪，具体是一种提升硅微机械陀螺仪带宽全温性能的方法。

背景技术

微机械陀螺仪是一种采用哥氏效应原理敏感载体输入角速率信息的传感器，其具有体积小、功耗低、重量轻、成本低、抗过载特性强、易于集成化和批量生产等优点，并广泛应用于诸多领域(比如惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等)。如图1-图2所示，微机械陀螺仪包括陀螺结构、陀螺测控电路。所述陀螺结构包括驱动轴向结构、检测轴向结构。所述检测轴向结构包括哥氏质量、检测位移提取结构(若检测回路为闭环回路，则检测轴向结构还包括检测力反馈结构)。所述陀螺测控电路包括驱动闭环回路、检测回路。所述检测回路包括前级放大接口、次级放大器、解调器、第一低通滤波器、第二低通滤波器(若检测回路为闭环回路，则检测回路还包括调制器和直流信号叠加装置)。微机械陀螺仪的工作模态包含驱动模态和检测模态。工作时，沿微机械陀螺仪输入轴施加输入角速率信号，则微机械陀螺仪的检测回路产生输出信号。

微机械陀螺仪的动力方程为：

式(A1)中：x为驱动轴向结构的位移；ω_x为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；Q_x为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；F_dx为驱动轴向结构所受的驱动力；m_x为驱动轴向结构的等效质量；k_x为驱动模态等效刚度；c_x为驱动模态等效阻尼；F_d为驱动模态驱动力幅度；ω_d为驱动模态驱动力的角频率(通常有ω_d＝ω_x)；y为检测轴向结构的位移；ω_y为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Q_y为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；Ω_z为微机械陀螺仪的输入角速率；k_y为检测模态等效刚度；m_y为检测轴向结构的等效质量；c_y为检测模态等效阻尼。

由于微机械陀螺仪通常采用真空封装，致使微机械陀螺仪检测模态的品质因数很大(在2000以上)，因此对式(A1)进一步求解可得：

式(A3)-(A4)中：x为驱动轴向结构的位移；F_d为驱动模态驱动力幅度；m_x为驱动轴向结构的等效质量；ω_x为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；ω_d为驱动模态驱动力的角频率；Q_x为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；y为检测轴向结构的位移；F_c为哥氏力；ω_y为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Q_y为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；Ω_z为微机械陀螺仪的输入角速率。

根据式(A2)-(A4)，可以得到微机械陀螺仪的机械灵敏度为：

式(A5)中：S_machenical为微机械陀螺仪的机械灵敏度；F_d为驱动模态驱动力幅度；Q_x为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；m_x为驱动轴向结构的等效质量；ω_d为驱动模态驱动力的角频率；ω_y为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；A_x为驱动轴向结构的运动幅度；Δf为微机械陀螺仪的模态频差(微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率之差)。

根据式(A5)可知，微机械陀螺仪的机械灵敏度与微机械陀螺仪的模态频差成反比。

微机械陀螺仪的标度因数为：