石英微机电陀螺的频率干扰特性研究

林日乐，谢佳维，王 伟，董 勇，蒋昭兴，冉龙明，李文蕴，罗 华，朱振忠

(1.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆400060；2.空装驻重庆地区军事代表室，重庆400060)

0 引言

石英微机电陀螺是一种微型哥氏(Coriolis)振动陀螺，该类陀螺具有精度高、温度性能好、可靠性高和适合低成本批量生产等特点，可广泛应用在稳定、控制、制导、导航等领域。石英微机电陀螺工作时敏感芯片处于谐振状态，敏感芯片结构具有多种模态，前9阶模态覆盖频率为3～21 kHz。敏感芯片的部分模态易受外部振动影响而导致敏感芯片产生共振，使陀螺产生零位偏移误差，是影响陀螺综合精度及环境适应性的关键因素[1]。

1 石英微机电陀螺工作原理

图1为采用双端音叉结构的敏感芯片结构示意图。图2为石英微机电陀螺的工作原理。由图1，2可看出，驱动音叉被激励并以其固有频率谐振，在输入轴向有角速度输入ωi时，由于哥氏力的作用，使检测音叉做受迫振动，振动幅度正比于驱动音叉运动的速度和输入角速度。利用石英晶体的压电效应，将振动信号转换成电信号，并通过放大、相敏解调和滤波得到一个正比于输入角速度的直流电压输出[2-3]。

图1 双端音叉敏感芯片结构示意图

图2 石英微机电陀螺工作原理图

2 频率特性分析

石英微机电陀螺双端音叉敏感芯片具有复杂的模态振型，芯片的结构形式和结构参数决定不同的谐振模态。利用有限元分析法进行结构仿真分析，该类型结构的前9阶模态振型如图3所示，其中第七、八阶分别是驱动模态和检测模态。驱动模态是驱动音叉在xy平面内谐振，检测模态是驱动音叉与检测音叉在yz平面内谐振。前9阶模态覆盖频率为3～21 kHz。当外部工作环境的频率与敏感芯片部分模态频率重合时会引起共振，导致陀螺零位偏移误差。除驱动模态频率和检测模态频率外，其他阶模态(特别是与检测模态振型相似的模态)影响较大[4-7]。

图3 双端音叉敏感芯片前9阶模态振型示意图

对敏感芯片进行3～21 kHz的扫频分析(见图4)，在其各阶模态频率处会引起共振，导致检测音叉产生位移。双端音叉结构的石英陀螺敏感芯片，其检测音叉上检测电极的设计对音叉x、z方向的位移敏感，音叉在这2个方向产生位移，会通过石英晶体的压电效应转换为电信号，如果该信号不能抵消或在信号相敏解调过程中抑制，最终将形成陀螺零位误差信号。

图4 检测音叉扫频仿真分析响应曲线

在敏感芯片结构设计时，针对特定工作环境的干扰频率，优化芯片中易引起干扰的模态频率，进行错频设计，这能有效避免芯片在该模态频率共振导致的零位偏移误差。针对双端音叉敏感芯片结构，设计了2组不同参数，其前9阶模态频率如表1所示 。同时，由图3可看出，其二、三阶模态的振型主要表现为检测音叉的同相或反相运动，这两阶模态一旦在工作环境中引起共振，易引起陀螺零位偏移误差。如工作环境有4.4 kHz左右(或其高次谐波)的频率干扰源，将引起芯片的二阶模态共振，导致零位误差。为避免该情况，根据这两阶模态振型特点，优化芯片的结构参数，改变这两阶模态的频率，同时保持芯片驱动和检测模态频率基本不变，即对芯片中易引起干扰的模态频率进行错频设计，避免工作环境频率对芯片的干扰，提升陀螺的振动环境适应性。优化芯片结构参数后，参数组2的二、三阶模态频率变化了约4%，可有效错开干扰频率。

表1 双端音叉敏感芯片前9阶模态频率(仿真分析)

3 实验

3组不同结构参数的敏感芯片，其前9阶模态频率的实测值如表2所示。不同的结构及工艺参数改变了敏感芯片的各阶模态频率，特别是二、三阶模态频率，通过调节，频率发生明显变化，变化率可达6%。芯片部分模态错频后，避免了与外部环境特定频率共振引起的零位偏移误差。如图5所示，敏感芯片的模态频率与外部环境频率产生共振，零位偏移误差达0.5 (°)/s，进行错频后，在该频率点零位偏移误差被有效抑制，零位偏移误差减小到0.03 (°)/s左右，有效提高了陀螺的振动环境适应性。

表2 不同结构参数的双端音叉敏感芯片前9阶模态频率实测值

图5 不同陀螺敏感芯片结构在外部频率干扰源作用下的零位输出曲线

4 结束语

石英微机电陀螺是一种微型振动陀螺，工作时敏感芯片处于谐振状态，敏感芯片具有多种模态，部分模态易受外部振动影响而产生共振，导致陀螺零位偏移误差。通过敏感芯片结构参数的优化，进行模态频率的错频设计，将易受影响的模态频率避开外部环境的特定干扰频率，可抑制共振引起的陀螺零位偏移误差，有效提高了陀螺的振动环境适应性。