李文望 ， 王凌云

（1.廈門理工學院機械工程系，福建 廈門 361024；2.廈門大學機電工程系，福建 廈門 361005）

微機械隧道陀螺的振動特性測試

李文望1，2， 王凌云2

（1.廈門理工學院機械工程系，福建 廈門 361024；2.廈門大學機電工程系，福建 廈門 361005）

結合微機械陀螺儀和隧道效應的特點，提出了角振動微機械隧道陀螺儀的工作原理和結構設計方案。針對微機械陀螺的驅動和檢測在面內和面外的結構特點，制定了圖像處理法、靜電力階躍激勵法和機械激勵法等振動特性測試方法，在大氣環(huán)境下分別對隧道陀螺儀驅動和檢測模態(tài)的振動特性進行了測試，得到了相應的諧振頻率，采用不同的方法得到的結果基本一致。

微機械隧道陀螺儀；驅動模態(tài)；敏感模態(tài)

1 引 言

微機械隧道陀螺是近年發(fā)展起來的一種新型的微陀螺，它利用隧道電流對位移變化的高敏感特性檢測角速度的變化，根據(jù)微機械隧道陀螺儀工作方式及特點[1-4]，對其驅動模態(tài)及檢測模態(tài)固有頻率初步測試，是對隧道陀螺儀進行進一步反饋控制及提取外界角速度輸入的基礎，也是對微機械隧道陀螺儀設計方法及工藝效果進行評價的有效檢驗手段。

2 角振動微機械隧道陀螺儀的結構和工作原理

微機械隧道陀螺儀與其他檢測方式微陀螺相比，結構設計原理基本相同，但由于電子隧道效應對電極間距的變化極其敏感，且制作工藝存在誤差，所以微機械隧道陀螺在敏感和驅動方向上的正交誤差要盡可能小。否則，驅動方向上的位移會引起隧尖的橫向運動，導致隧尖的橫向敏感。如果電極表面較粗糙，就會給陀螺檢測引入噪聲，因而支撐隧尖的敏感梁在驅動方向上應具有足夠的剛度[5-11]。

圖1所示是角振動微機械隧道陀螺儀的結構圖，當陀螺接通電源時，懸臂梁在偏轉電極的靜電力吸引下發(fā)生偏轉，使隧尖靠近檢測電極，進入隧道效應的工作狀態(tài)。同時，變截面支撐梁在兩邊扇形固定梳齒驅動下，在XY平面內做往復角振動，當陀螺儀在X方向上有輸入角速度時，扇形梳齒可動部分由于受到Coriolis力將產生Z方向的位移，該位移通過變截面梁傳遞到與其連接的懸臂梁，導致隧道間距發(fā)生改變。由于隧道效應對位移的敏感性，通過檢測隧道電流的大小就可以檢測出X方向輸入角速度大小。

圖1 角振動微機械隧道陀螺儀效果圖

該結構方案的特點在于驅動和檢測方向采用相互獨立的支撐梁結構，避免了兩個方向的正交耦合。同時，采用兩個敏感梁左右支撐，進一步抑制了隧尖的橫向振動。另外，扇形驅動隨著半徑的增大，驅動振幅相應增大，因而Coriolis力也相應增大，提高了陀螺儀的機械靈敏度。

3 微機械隧道陀螺儀的振動特性測試方法

3.1 驅動梁振動特性的測試方法

（1）圖像法。由于陀螺驅動模態(tài)的振動方向是在面內振動，因而可以通過光學顯微鏡方便地觀察結構在靜態(tài)和動態(tài)振動下的位移，并可借助CCD和圖像處理軟件實現(xiàn)圖像記錄和位移測量。在諧振測試時，分別記錄正弦激勵頻率及該頻率下的最大振幅，繪制出幅頻曲線便可得到陀螺儀在驅動方向上的諧振點。圖像法測試諧振的測試平臺主要由探針臺、顯微鏡、信號發(fā)生器、功率放大模塊、示波器、電源、CCD及計算機等組成。圖像法測試振動特性具有所見即所得的特點，在顯微鏡放大倍數(shù)足夠高的情況下，具有較高的可靠性和真實性。

（2）靜電階躍激勵測試法。如圖2所示是靜電階躍激勵法測試驅動梁振動特性的示意圖。其測試原理為：當開關K斷開或閉合瞬間，驅動梁受到靜電力的階躍激勵，其阻尼自由振動引起可動梳齒與另一固定梳齒間電容改變，導致該電容上的充放電電流發(fā)生改變。該電流的變化過程，間接反映了振動梁的階躍響應特性。靜電階躍激勵法充分利用了微陀螺在驅動方向上的結構特點，并通過C/V方法得到驅動梁在靜電沖擊下的響應情況，由于其可以檢測到納米級的微小位移，因而該法具有較高的測量精度。

測試過程中，在可動梳齒上施加Vp=1V固定電壓，兩定齒中的一個定齒通過一開關K連接到另一固定電壓Vi上，Vi的大小在30～70V間；另一固定梳齒與I-V放大器相連接，其輸出信號通過A/D采集卡記錄于計算機中，通過LabVIEW和Origin等數(shù)據(jù)處理軟件對測試結果進行分析，便可得出驅動梁的動態(tài)特性參數(shù)。

圖2 靜電階躍激勵法振動測試示意圖

3.2 檢測梁振動特性的測試方法

由于檢測方向都在垂直方向上，且受到隧尖位移的限制，在垂直方向上檢測梁的最大位移僅為1μm左右，因而很難用前述光學方法分辨出振動位移的大小。另外，由于在垂直方向上只有一個電極可用，因而也很難采用靜電激勵方法測試垂直方向上的振動性能?；谶@些特點，設計了如圖3所示的機械激勵-電容檢測的方法測試懸臂梁在檢測方向上的振動特性。由于懸臂梁的振動引起其與偏轉電極之間的電容發(fā)生改變，通過I-V放大電路檢測出電容變化過程中產生的充放電電流，經A/D數(shù)據(jù)采集和頻譜分析軟件，便可提取出檢測梁在機械激勵下的諧響應情況。測試中，必須使陀螺儀檢測梁的振動方向與激振器激振方向保持一致，信號發(fā)生器產生某一頻段正弦掃頻信號經功率放大器后驅動激振器，當激勵頻率與檢測梁頻率一致時，使充放電電流發(fā)生較為明顯的變化。因此，由頻譜分析便可識別出陀螺在檢測方向上的固有頻率。

4 角振動隧道陀螺儀的振動測試及分析

4.1 驅動梁的固有頻率測試

圖3 機械激勵法測試檢測梁振動示意圖

在扇形梳齒的兩固定齒上分別施加Vd+Vasinωt和Vd-Vasinωt的激勵信號時，驅動梁將在該靜電激勵下產生振動，當改變激勵頻率ω時，則可通過圖像法找到驅動梁的諧振點。用40 V+10 Vsinωt和40 V-10Vsinωt的驅動信號分別加在陀螺儀兩固定梳齒下，驅動梁產生如圖4所示的諧響應振動。通過圖像法，記錄不同驅動頻率下驅動梁振動圖像，提取出相應振動角度，便得到如圖5所示的頻響曲線。由此可見，驅動梁的諧振頻率為6335Hz。

圖4 驅動梁在正弦激勵下的振動

圖5 圖像法得到的角振動陀螺儀頻響曲線

為了驗證圖像法所測試驅動梁的諧振頻率，采用靜電階躍激勵法對角振動陀螺儀進行了進一步測試。在圖2所示的Vi上加上60V直流電壓，當開關K閉合瞬間，通過示波器得到如圖6（a）所示階躍響應曲線（CH1），CH2為連接Vi的變化曲線。當驅動梁受到靜電力的階躍激勵后，將在新的平衡位置做阻力衰減自由振動，由于是小阻尼自由振動，因而可以認為其衰減振動頻率即為驅動梁在驅動方向上的固有頻率[4]。其振動數(shù)據(jù)的頻譜分析如圖6（b）所示，從該結果得到的驅動梁諧振頻率為6340Hz，因而，進一步驗證了圖像法所得結果的可靠性。

4.2 檢測梁固有頻率測試

圖6 靜電階躍激勵法測試驅動梁諧振頻率

圖7 角振動隧道陀螺儀檢測梁的機械激勵測試

角振動隧道陀螺儀檢測梁的振動特性測試采用機械激勵-電容檢測方法。測試中使用信號發(fā)生器產生6.5～8 kHz的掃頻信號，該信號經功率放大器放大后，驅動JZK-1（江蘇聯(lián)能電子有限公司）型激振器，在懸臂梁上施加1V的固定電壓。圖7（a）為截取的一次掃頻過程中懸臂梁在檢測方向上所產生的諧響應曲線，該數(shù)據(jù)經頻譜分析后所得的諧響應頻譜圖如圖7（b）所示，可得檢測梁在檢測方向上的諧振頻率為7 637Hz，略低于理論設計的7794Hz。

5 結束語

利用圖像法和靜電階躍激勵法分別測得角振動隧道陀螺儀在驅動方向的諧振頻率以及通過機械激勵-電容檢測的方法得到角振動陀螺儀在其檢測方向諧振頻率與理論設計接近，為隧道陀螺儀進行進一步反饋控制及提取外界角速度輸入打下扎實的基礎。

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Vibration measuring methods of m icro-machined tunning gyroscope

LIWen-wang1，2，WANG Ling-yun2
（1.Department of Mechanical Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；（2.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

Based on the characteristics of micro-machined gyroscope and tunneling effect，the principle of operation and structure design of angular vibrating tunneling gyroscope have been introduced.Given the vibration direction of driving and sensing mode in in-plane and out-ofplane，several vibration measuring methods，including image processing，electrostatic force step stimulation and mechanism excitation，were utilized to test the vibration characteristics of the driving and sensing model of the tunneling gyroscope under the atmosphere environment，the resonance frequency and quality factor of the tunneling gyroscope were also obtained.The same results are obtained by different methods.

micro-machined tunneling gyroscope；driving mode；sensing mode

TH703.8；TP274+.5

A

1674-5124（2011）01-0010-03

2010-09-05；

2010-10-28

國家自然科學基金（50675222）

國家863高技術研究發(fā)展計劃（2007AA04Z308）

福建省高校新世紀優(yōu)秀人才支持計劃（2007）

李文望（1966-），男，福建永春縣人，教授，碩士，主要從事MEMS、靜電紡絲的教學與研究。