余德林

（湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢，430079）

淺析微機(jī)械石英陀螺的設(shè)計(jì)

余德林

（湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢，430079）

本文根據(jù)振動陀螺的工作原理，利用公理化設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了分析，建立振動陀螺設(shè)計(jì)模型，使用該模型石英振動陀螺儀傳感元件—石英音叉片進(jìn)行分析。利用有限元法是應(yīng)用于音叉電子晶片靈敏度數(shù)據(jù)分析，評估其優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)石英音叉片解耦，為其他的設(shè)計(jì)提供有利的參考。

公理設(shè)計(jì)；靈敏度；振動陀螺；石英陀螺

音叉的工作原理是在音叉保持持續(xù)恒定等幅振動的作用下，一旦音叉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動運(yùn)動，就會受到柯里奧里力也就是慣性力的阻礙，不讓音叉轉(zhuǎn)動，從而觸發(fā)了音叉在一個平面上的振動，在振動的同時，音叉的轉(zhuǎn)動角速度是跟振幅成正比例系數(shù)的，同樣也會產(chǎn)生一個電信號，進(jìn)而得出轉(zhuǎn)動時的角速度。QRS有很多優(yōu)點(diǎn)，比如說：制作的本錢低、穩(wěn)定性好等等。此外，它的使用壽命很長，角速度測量范圍寬、響應(yīng)時間短、耐抗沖擊性強(qiáng)，屬于低精度陀螺儀。QRS波，音叉是陀螺振動儀核心組件，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響石英陀螺儀的質(zhì)量。

1　機(jī)械陀螺的發(fā)展歷程

對于微型的機(jī)械陀螺認(rèn)知是從1980年左右開始的。在1988年的時候，全球最先發(fā)現(xiàn)硅基微機(jī)械陀螺的機(jī)構(gòu)是位于美國的Draper實(shí)驗(yàn)室。隨著時代的發(fā)展和進(jìn)步，1990年之后，LIGA技術(shù)和體硅工藝技術(shù)的發(fā)展壯大和技術(shù)成熟，更多的資源用來制作大質(zhì)量塊。在1988年發(fā)現(xiàn)硅基微機(jī)械陀螺之后，美國的Draper實(shí)驗(yàn)室于1993年又成功地將微機(jī)械陀螺在 60Hz帶寬的前提下使分辨率高達(dá)1.5°/s，這一微機(jī)械陀螺是由硅－玻璃鍵合工藝和單晶硅體硅藝二者結(jié)合制成的。隨著時間的推移，分辨率越來越高。1994年，同樣是美國的大學(xué)在 10Hz帶寬的前提下將分辨率提高到 0.5°/s。并在1995年時，陀螺與電路的單片集成技術(shù)成功研制出來，這樣技術(shù)的成功得益于表面微機(jī)械工藝技術(shù)的發(fā)展和成熟。之后，各個大學(xué)主攻陀螺的等效噪音角速度，并逐漸的提升等效噪音角速度的性能。在現(xiàn)代社會上這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。

2　科氏力原理

地球自轉(zhuǎn)的同時會產(chǎn)生一種力，科學(xué)家們稱為科里奧利力（簡稱科氏力，是一種非慣性參照系的慣性力）。相比于推拉力來說，科氏力其實(shí)不是“真實(shí)的”力，但是不可否認(rèn)它的力量是非常強(qiáng)大的，強(qiáng)大到可以造就臺風(fēng)的地步。在不斷旋轉(zhuǎn)的地球上，流體運(yùn)動始終受到科氏力的作用，氣象學(xué)上又稱之為地轉(zhuǎn)偏向力。對于大尺度大氣運(yùn)動，科氏力具有十分重要的意義?？剖闲?yīng)用圖片理解就是如圖 1所示 ，假如在旋轉(zhuǎn)的平面上，木塊相對于地面的速度為V=ωr。

3　基于設(shè)計(jì)公理的整棟陀螺的設(shè)計(jì)

在獨(dú)立公理和柯氏效應(yīng)雙重作用下，柯氏振動陀螺的功能非常多，比如：

1）FRs1這種驅(qū)動是提供被稱為迫運(yùn)動或運(yùn)動驅(qū)動器的模式。在一般情況下，驅(qū)動器的運(yùn)動優(yōu)選是恒定幅度 - 頻率諧波振蕩。只有這樣，才能使CoriolisFc的角速度，并進(jìn)入線性Ω。Coriolis振動陀螺儀必須有一個結(jié)構(gòu)DPS1，為了產(chǎn)生這樣的驅(qū)動器。目前，該驅(qū)動器具有壓電，靜電和電磁這些類型。

圖1　

圖2　

圖3　

圖4　

2）在FRS2被感測的情況下，感測時所產(chǎn)生的向心力的振動充分利用。當(dāng)前來說，科氏力而形成的電信號變化輸出是由壓阻、壓電和電容式振動引起的。對于這個電信號的大小的線性關(guān)系來說，是由輸入的近似大小的角速度來決定的。這一功能結(jié)構(gòu)DPS2完成檢測。

3）FRs3是否在一定的比例產(chǎn)生的驅(qū)動結(jié)構(gòu)DPS1，Coriolis被傳遞到感測結(jié)構(gòu)DPS2。 DPS3實(shí)現(xiàn)這一功能是設(shè)計(jì)科里奧利振動陀螺儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。精心設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生盡可能的DPS1，Coriolis被傳遞到DPS2，同時也能更好驅(qū)動運(yùn)動和運(yùn)動感測不需要的耦合隔開。 因此，柯氏振動陀螺的解耦設(shè)計(jì)矩陣如圖2。

4　微機(jī)械石英陀螺的分析

對于微型機(jī)械石英陀螺來說，它可以大體分為兩種，第一種是X軸上的基準(zhǔn)振動，Y軸角速度輸入，在Z軸感測的振動。例如，一個單端音叉型，夾在雙端音叉型之間，三叉指4叉指，上下三叉手指類型。第二種是在X軸，Z軸角速度輸入，感測的振動或在X軸的基準(zhǔn)振動。 如平面型石英陀螺。

微機(jī)械振動陀螺結(jié)構(gòu)的第一次討論。驅(qū)動電極和如圖感測所述第一類微機(jī)械振動陀螺的電極，見圖3。與此電極結(jié)構(gòu)可以在所引起的復(fù)合向心力的X方向叉指式振動檢測和Z方向上的振動被驅(qū)動。

表1　石英陀螺的電壓靈敏度

對于音叉石英陀螺來說，它的結(jié)構(gòu)不是太復(fù)雜如圖4所示。在任何一個驅(qū)動器中，它必須有感測能力和交指的功能。

由于振動式微機(jī)械陀螺由科氏加速度產(chǎn)生的輸出信號是極其微弱的電容信號，而且又隨驅(qū)動信號頻率簡諧變化，所以在檢測方案中必須綜合考慮，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臏y量方法，以消除微小電容測量中存在的問題，如噪聲、寄生電容的影響，又要充分利用微機(jī)械陀螺儀差動輸出的電容信號的特點(diǎn)。微機(jī)械振動式陀螺是采用間接的方法測量輸入角速度，即通過測量由與輸入角速率成正比的科氏加速度引起的差動敏感電容器的電容量變化，來測量輸入角速度。

5　敏度分析

靈敏度可符合輸入的衍生物，最好的函數(shù)的輸出數(shù)據(jù)來表示。石英陀螺儀，角速度輸入單元在一定的時間時，石英陀螺儀的靈敏度的大小是輸出電壓檢測電極。在最開始的時候，我們可以利用其他方法來預(yù)測石英的靈敏度。并使用該指標(biāo)來比較DPS3通過Coriolis感測電極，以效率不同的結(jié)構(gòu)。為了獲得精確的比較結(jié)果的結(jié)構(gòu)圖，在掩模的感測電極幾何這三種驅(qū)動叉骨結(jié)構(gòu)和叉臂被設(shè)置為相同。

COMSOL Multiphysics是一種常規(guī)的物理現(xiàn)象和日常工具的數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型。他的創(chuàng)建模式非常傳統(tǒng)，步驟非常的簡潔。1）合理確定他的幾何模型；2）更加準(zhǔn)確的定義物理參數(shù)；3）將所述有限元網(wǎng)格；4）解決問題； 5）參數(shù)分析，拓?fù)鋬?yōu)化 ；6）可視化的處理器。同時，我們還必須注意一些問題：就是Coriolis的前被計(jì)算為新的邊界條件，執(zhí)行諧波分析。

在同樣單位的加速度、電壓、相同的條件下不同結(jié)構(gòu)的三種石英陀螺的靈敏度如表1所示。

6　結(jié) 論

隨著時代的發(fā)展和進(jìn)步，技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是不斷提高的表現(xiàn)，而不是微機(jī)械加工技術(shù)的應(yīng)用，振動技術(shù)的日益重要的領(lǐng)域陀螺慣性位置。它的設(shè)計(jì)在很大程度上取決于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師。建立給人們以科學(xué)的設(shè)計(jì)理論把握產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科里奧利振動陀螺儀公理化設(shè)計(jì)矩陣。同時，利用有限元分析的敏感性，將能夠作出預(yù)測石英陀螺儀的性能和測試在設(shè)計(jì)階段，它提供了用于隨后的其他工作的選擇，電路設(shè)計(jì)有用的參考。

（References）

［1］ 丁俊武，韓玉啟，鄭稱德. 現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論研究綜述［J］. 機(jī)械制造. 2015（12）:56-58

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