一种具有低振动灵敏度和宽动态范围的MEMS陀螺仪

摘要

为了进一步提高MEMS陀螺的动态范围和振动环境适应性,以加速其工程化应用步伐,研究了陀螺振动误差,提出了一种新型MEMS陀螺结构.MEMS陀螺仍然采用了音叉结构形式,同时采用了工字型框架和隔离结构,从而提高了陀螺结构的稳定性和抗振动性能,并降低了残余应力对陀螺影响.理论分析了驱动和检测模态频差对标度因数非线性的影响,并基于理论和实验分析了振动环境中的角振动对陀螺性能的影响.在此基础上,进行了陀螺的模态优化设计,以进一步减小了陀螺的振动灵敏度,并使其具有大动态范围.MEMS陀螺采用了SOI圆片制备,并采用了圆片级真空封装技术实现陀螺芯片的真空封装.MEMS陀螺芯片和ASIC芯片叠装在陶瓷管壳内,体积为11.4×11.4×3.8 mm3.实验结果表明,MEMS陀螺的测量范围为±7200(°)/s,零偏稳定性为12.2(°)/h(1σ).随机振动环境下(7.6grms),该陀螺的振中零偏变化量小于10.0(°)/h,振中的零偏稳定性小于24.0(°)/h,是原陀螺的1/5.