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什么是振動盤式MEMS陀螺?
- 2020-04-20-

       Draper實驗室研制的音叉-2形陀螺.(Tuning Fork Gyro-2,TFG-2),包含2個平面狀硅質元件,這2個平面狀硅質元件通過折疊臂懸掛在玻璃襯底上,可以在平面內做180°振動。尺寸在300x400 um量級上。由于科里奧利作用力引起的平面外的運動可以通過檢測質量元件和襯底之間的電容變化得到,這種MEMS陀螺的一個典型性能指標是:平面內1rad/s的輸入角速度引起作用在質量元件上的力大約為9x10-8 N,在垂直于電極方向最大有1x10-9 m的峰值位移,3 aF (10-18 F)的電容變化。1°/h 的角速度分辨率需要能夠檢測出5 x10-15m的位移和大約每個運動周期0.25電子的電量變化。Draper 實驗室已經將這種技術轉讓給Honeywell公司。性能測試數據表明最近的TFG的敏感范圍在3 ~50°/h (3σ補償),工作溫度范圍為-40℃-85℃,振動輸人可到12000g。 這些性能已經在增程制導彈藥和所有的抗擊彈藥高級技術制導炮彈中得到驗證。Draper/Honeywell TFG系列陀螺設計已經經過驗證,這種陀螺可以應用在高-g場合,而且性能在不斷增強,制造技術也在提高。振動平面技術已經在Honeywell的HC1900、1930、1940 IMUs中得到應用,1940 IMUs尺寸為2立方英寸。

       許多平面振動式陀螺都是梳狀驅動的,這種梳狀驅動裝置由加利福利亞大學伯克利分校發明。梳狀驅動裝置采用多種結構設計以減少敏感元件與驅動之間的耦合效應,如平面式、垂向式及振動圓盤式。研究表明性能最好的厚度在50~100μm之間。MEMS制造上的瑕疵很容易導致不必要的性能誤差,因此關鍵在于制造技術的進步,且設計對制造工藝要求不是那么苛刻的MEMS陀螺,從而提高性能,降低成本。Analog Device公司已經制造出民用的ADXRS陀螺,其敏感軸和驅動軸都平行于襯底,這種陀螺可以工作在氣體環境中,但性能則有限。

       另外一些不依賴梳狀驅動的平面振動式MEMS陀螺也在發展中。這種設計不要求梳齒間具有很窄的間隙和很高的制造精度。JPL 實驗室的MEMS陀螺,采用2自由度的4片三葉草形狀元件懸掛在4個彈簧上,包括1個垂直的柱狀質量元件,通過繞位于三葉草葉片平面內的一根軸 做搖擺運動來驅動。這是一種垂向式陀螺(即測 量的是垂直于三葉草頁面的軸向角速度)。日本正在發展一種雙萬向輪結構驅動和敏感電磁感應的MEMS陀螺。挪威Sensnor公司正在發展SAR500型高精度MEMS蝴蝶陀螺,其設計性能為: ARW為0. 002° /√h.零偏穩定性為0.04°/h,零偏重復性為0. 1°/h。SAR500陀螺的敏感軸位于上下兩層敏感平面內,這種設計可以提高靈敏度,還可以調節敏感元件和驅動之間的諧振,以便進行動態積分補償。

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