雙質量微機電陀螺結構設計與仿真

王奕奕

（中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710000）

近年來，隨著微機電技術的快速發展，微機電陀螺以其低功耗、低成本、可批量生產等優勢，在軍事和民用領域的應用范圍不斷擴大。對新機理、新材料、新工藝的不斷探索也使得陀螺性能大幅提升，在實驗室甚至商業產品中都實現了零偏穩定性優于1°/h的陀螺樣機[1-3]。目前制約微機電陀螺性能的主要因素有模態耦合、制造加工產生的誤差、加工工藝難度等[4]。針對上述問題，本文基于微機電陀螺傳感機理研究，建立了全解耦微機電陀螺的理論分析模型，完成了雙質量塊微機電陀螺的總體方案設計和仿真驗證，為后續陀螺加工和測試提供依據。

1 微機電陀螺工作原理

采用微機電技術制造的微機電陀螺是利用科氏效應進行角速度檢測的傳感器。當陀螺質量塊在慣性參考系中做直線運動時，如果載體轉動的角速度為Ω，由此產生的科氏力與敏感質量塊的相對運動速度和載體的角速度成正比，用數學矢量形式表示為相對運動速度與角速度的向量積[5]，如式（1）。

當質量塊相對運動速度保持恒定時，科氏力與載體的角速度成正比，因此測量得到由科氏力產生的檢測位移幅值，即可推導出角速度的值。微機電陀螺科氏力產生的檢測模態諧振頻率與驅動力頻率相同，且在驅動模態保持穩幅振動時，檢測模態位移的振幅與輸入角速度大小成正比。基于科氏效應的角速度檢測原理產生了眾多不同材料和不同機械結構的微機電陀螺，其中陀螺敏感結構多采用硅基材料，微機電陀螺主要由振動質量塊、驅動梳齒、檢測梳齒和彈性梁等組成。……