1、陀螺是一種實(shí)現(xiàn)角速度或角位移測量的傳感器，是慣性測量單元(IMU)的重要組成部分。微機(jī)械陀螺相對于傳統(tǒng)的剛體轉(zhuǎn)子陀螺與光學(xué)陀螺而言，具有體積小，低成本，低功耗，可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，成為近幾十年的研究熱點(diǎn)。其應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子，汽車工業(yè)，導(dǎo)航系統(tǒng)等。
　　柵結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺采用變面積電容結(jié)構(gòu)，其平面內(nèi)運(yùn)動模態(tài)使其在大氣環(huán)境下具有較小的阻尼，且其硅玻璃結(jié)構(gòu)使其具有較大的可動質(zhì)量塊，從而具有較小的機(jī)械熱噪聲。傳統(tǒng)的柵結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺由于采用

2、變面積電容進(jìn)行驅(qū)動及檢測，無法在驅(qū)動或檢測模態(tài)上對陀螺的諧振頻率進(jìn)行調(diào)整，驅(qū)動與檢測模態(tài)不能實(shí)現(xiàn)完全匹配，導(dǎo)致陀螺的性能不能得到有效的提升;另外，由于加工工藝誤差導(dǎo)致的離散性較大，器件性能不一。本論文在傳統(tǒng)的柵結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺的基礎(chǔ)上，對器件結(jié)構(gòu)與電路進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)陀螺驅(qū)動與檢測諧振頻率的匹配，使陀螺性能得到優(yōu)化。主要工作內(nèi)容以及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1)針對傳統(tǒng)柵結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺無法對驅(qū)動及檢測模態(tài)的諧振頻率進(jìn)行調(diào)整的問題，提出并實(shí)現(xiàn)了

3、一種新型的可調(diào)諧柵電容結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中可動電極仍為矩形，而固定電極改為三角形，三角形固定電極的一邊與可動電極的長邊交疊。當(dāng)可動電極與固定電極間有一固定直流電壓時(shí)，此柵電容結(jié)構(gòu)即可產(chǎn)生一等效的靜電彈性系數(shù)，改變陀螺相應(yīng)方向上總的彈性系數(shù)，從而調(diào)整驅(qū)動或檢測模態(tài)的諧振頻率使其達(dá)到匹配。將三角形固定電極的位置水平翻轉(zhuǎn)可得到符號相反的靜電彈性系數(shù)。實(shí)際加工的陀螺器件樣品的測試結(jié)果表明，檢測模態(tài)諧振頻率與調(diào)諧直流電壓呈二次曲線型關(guān)系，當(dāng)調(diào)諧電壓為1

4、5V時(shí)，檢測模態(tài)的諧振頻率改變13.5Hz，與理論分析結(jié)果基本一致。
　　2)針對MEMS陀螺帶寬，已有文獻(xiàn)指出，當(dāng)驅(qū)動與檢測模態(tài)頻率差△f較大時(shí)，帶寬為0.54|△f|，當(dāng)模態(tài)匹配時(shí)為fo/2Q，其中fo為器件工作頻率，但對于諧振頻率差較小但不等于零的情況則沒有相關(guān)結(jié)論。且一般認(rèn)為，陀螺的靈敏度與帶寬是相互制約的兩個(gè)性能，靈敏度越大，帶寬越小。本文通過建立仿真模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)頻率差較小時(shí)，陀螺帶寬與驅(qū)動檢測模態(tài)的諧振頻率差關(guān)系

5、曲線中存在一個(gè)斷點(diǎn)，斷點(diǎn)外帶寬約為0.54|△f|，斷點(diǎn)內(nèi)帶寬可明顯高于斷點(diǎn)外帶寬。斷點(diǎn)對應(yīng)的頻率差約為fo/Q，斷點(diǎn)處的帶寬為極大值，約為1.52fo/Q。由于斷點(diǎn)處靈敏度比斷點(diǎn)外大，可利用該特性優(yōu)化帶寬和靈敏度綜合性能。利用具有調(diào)諧結(jié)構(gòu)的陀螺器件測試在不同諧振頻率差情況下的帶寬，驗(yàn)證了上述發(fā)現(xiàn)。
　　3)本文設(shè)計(jì)的調(diào)諧電極在對陀螺的驅(qū)動與檢測模態(tài)進(jìn)行匹配的同時(shí)，可用于對陀螺中的耦合進(jìn)行力平衡反饋。在差分調(diào)諧電極上分別施加一具有

6、相同直流及反相交流的電信號，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率匹配與力平衡兩種功能。對處于匹配狀態(tài)下的檢測環(huán)路進(jìn)行分析，指出在環(huán)路參數(shù)選取適當(dāng)?shù)那闆r下，檢測閉環(huán)可以提高陀螺系統(tǒng)輸出帶寬，且不改變輸出的噪聲基底。在適當(dāng)?shù)膮?shù)下對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，閉環(huán)情況下的系統(tǒng)輸出帶寬為12.5Hz，相對開環(huán)情況下的3.5Hz有較大的提高。閉環(huán)情況下的噪聲等效角速度為8.467°/hr/√Hz，與開環(huán)情況下的9.218°/hr/√Hz基本一致。在±500°/s范圍內(nèi)測試