一种新型微机械陀螺阵列设计

摘要

凭借微型化、低成本、低功耗、高集成化的优势，微机械陀螺作为一种新型的陀螺仪，它的应用不再局限于航空、航天、航海等导航领域，而是广泛的应用到了与人类生活相关的各个领域，在今后的导航、通信、医学等领域有着巨大的发展潜力。
　　近几十年来，虽然各国对微机械陀螺的研究已经有了一定的成果，但是当前的微机械陀螺仍然存在着一些问题。传统的微机械陀螺通常把驱动模态和敏感模态设计成单自由度的，二自由度的微机械陀螺解耦结构可以实现一定的解耦效果，但是这种设计结构容易受到外界环境变化的影响，从而导致其稳定性的严重下降。为了提高系统的稳定性，多自由度的结构相继被提出，这些结构通过增加驱动模态和敏感模态的自由度来提高系统带宽。已提出的多种多自由度微机械陀螺，虽然在一定程度上提高了系统的带宽，但却限制了系统的灵敏度。
　　为了有效地解决微机械陀螺设计中模态之间的耦合问题以及带宽与灵敏度之间相互限制的问题，本课题的主要研究内容包括三个部分:一是微机械陀螺结构的解耦设计，模态之间的耦合是影响微机械陀螺精度的一个重要原因，因此本课题将通过合理的结构设计来消除两个振动模态之间的耦合误差;二是微机械陀螺稳定性的提高，微机械陀螺的稳定性是其正常工作的一个保证，本课题通过结构设计来提高微机械陀螺的内在稳定性;三是微机械陀螺灵敏度的提高，微机械陀螺的检测输出信号微弱，本课题通过提高微机械陀螺的增益来提高系统的灵敏度。
　　本课题首先提出了一种单自由度驱动模态的微机械陀螺单元，然后将该陀螺单元进行组合提出了一种陀螺阵列结构，该陀螺阵列可以实现两个模态之间的解耦，相对于传统的结构，该结构更容易满足限制条件。仿真结果表明陀螺阵列的敏感模态对外界扰动不敏感，陀螺阵列敏感模态的增益比陀螺单元敏感模态的增益提高了大约5dB，但是，该陀螺阵列的驱动模态对外界变化敏感，稳定性差。针对这一问题，本课题提出了一种改进的微机械陀螺阵列结构，改进微机械陀螺阵列的驱动模态为二自由度，解决了单自由度驱动模态稳定性差的问题。通过仿真分析，可以看出改进陀螺阵列在保证了未改进陀螺阵列良好特性的基础上，有更好的稳定性、抗干扰能力、灵敏度和更短的动态响应时间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外发展现状

1．2．1 MEMS结构的国外发展现状

1．2．2 MEMS结构的国内发展现状

1．3 章节安排

第2章 微机械陀螺基础

2．1 哥氏效应

2．2 工作原理

2．3 静电驱动原理

2．3．1 平板电容结构的驱动原理

2．3．2 梳齿电容结构的驱动原理

2．4 电容检测原理

2．5 微机械陀螺的误差分析

2．6 微机械陀螺的性能指标

2．7 本章小结

第3章 微机械陀螺的结构设计基础

3．1 解耦结构

3．2 陀螺振动结构的动力学分析

3．2．1 单自由度振动结构

3．2．2 二自由度振动结构

3．3 本章小结

第4章 微机械陀螺阵列的设计

4．1 陀螺单元的结构设计

4．2 陀螺阵列的设计

4．2．1 结构设计

4．2．2 工作方式

4．3 陀螺阵列的理论分析

4．3．1 动力学分析

4．3．2 设计方程

4．4 陀螺阵列的仿真分析

4．4．1 陀螺阵列的参数值

4．4．2 幅频特性

4．4．3 参数的影响分析

4．4．4 SIMULINK建模

4．4．5 动态响应

4．5 本章小结

第5章 改进的微机械陀螺阵列设计

5．1 改进的陀螺单元的结构设计

5．2 改进陀螺阵列的设计

5．2．1 结构设计

5．2．2 工作方式

5．3 改进陀螺阵列的理论分析

5．3．1 动力学分析

5．3．2 设计方程

5．4 改进陀螺阵列的仿真分析

5．4．1 改进陀螺阵列的参数值

5．4．2 幅频特性

5．4．3 参数的影响分析

5．4．4 SIMULINK建模

5．4．5 动态响应

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢