基于机械杠杆的位移放大效应, 提出了一种具有微杠杆结构的电容检测式微机械陀螺结构, 所设计的杠杆放大机构设置在陀螺的检测模态中, 通过杠杆将科氏质量块的检测位移放大传递到检测框上, 以提升检测位移。建立杠杆结构陀螺的二阶振动微分方程, 分析了杠杆结构对微机械陀螺结构静刚度和固有频率的影响, 探讨了在不同结构条件下杠杆结构对检测位移的放大效果。通过仿真验证了理论的准确性与可行性, 结果表明, 在陀螺谐振情况下, 可有效增大检测框位移60%以上, 提升了检测位移, 进而提升检测灵敏度。

为了提高硅微机械陀螺(SMG)的性能,研究了一种基于四阶机电结合带通Σ-Δ调制器(SDM)的硅微机械陀螺力反馈闭环检测方法。基于谐振器级联谐振前馈(CRFF)结构设计了该方法的仿真模型,并利用商用软件SD TOOLS计算了环路参数。采用MATLAB/SIMULINK对设计结果进行了行为级仿真,结果表明,1 Hz条件下环路的信噪比达到了109.2 dB,符合设计预期。在此基础上,以现场可编程门阵列(FPGA)为数字处理核心搭建了硅微机械陀螺数字化测控电路并进行了性能测试。结果表明,采用带通SDM闭环检测技术和数字化闭环驱动技术后,硅微机械陀螺的Allan方差零偏不稳定性约为1.15(°)/h,角度随机游走约为7.74×10-2(°)/√h,且信噪比参数满足了设计目标。 得到的结果证明了设计方法的正确性;显示提出的带通SDM力反馈闭环检测方法有助于提高SMG的性能,拓展其应用领域。

分析了温度在高真空环境下对硅微机械陀螺品质因数的影响机理.阐述了热弹性阻尼的复频率模型和硅材料的温度特性,建立了品质因数温度特性理论模型,并对理论模型进行了仿真验证和实验验证.理论计算得到常温下品质因数的温度系数为-9.76×10-3/℃.利用ANSYS对品质因数的温度系数进行仿真分析,得到常温下品质因数温度系数的仿真值为-9.96×10-3/℃.对硅微机械陀螺进行品质因数温度实验,得到常温下品质因数的温度系数为-9.02×10-3/℃,与理论计算结果相差8.20%.实验结果表明:高真空环境下建立陀螺品质因数温度特性的理论模型可为陀螺的温度误差补偿提供理论依据,为陀螺的优化设计提供实际指导.

为了进一步提高微机械陀螺的极限分辨率, 建立了基于SOI工艺的微机械陀螺的检测接口模型, 并设计了与之相匹配的前置接口放大器。首先, 根据陀螺表头的实际结构建立了微机械陀螺表头的RC集**数模型和微机械陀螺检测接口的噪声模型, 分析了检测接口主导噪声源及提高极限分辨率的措施。然后, 在跨阻式前置放大器的基础上设计了改进的与检测接口匹配的T型前置放大器。实验结果表明：相比于跨阻式前置放大器, 采用改进的T型前置放大器的等效噪声输入电流由1.18 pA/√Hz降低至0.27 pA/√Hz, 对应的电容极限分辨率可达到0.62 aF/√Hz。结果显示, 采用与检测接口匹配的T型前置放大器提高了微机械陀螺的极限分辨率。

提出了一种检测模态解耦的z轴微机械陀螺，其检测模态被约束为1自由度振动，可抑制驱动模态的影响，降低不期望的检测模态偏置，并使用双质量结构在降低模态耦合的同时获得了较好的模态频率匹配。为满足驱动和检测模态自由度约束要求，使用了U形支撑梁。采用反应离子深刻蚀工艺制作了高深宽比结构层，获得了较大的验证质量，抑制了器件的机械热噪声，提高了陀螺分辨率。加工的陀螺面积为2 100 μm×2 100 μm，厚度为60 μm。采用真空封装，获得了较高的机械品质因子。测试结果表明，驱动和检测模态的品质因子分别为2 000和1 800，机械热噪声为3.76(°)/h·Hz12。在±200 (°)/s的量程内，刻度因子为21 mV/(°)·s-1，非线性度为1.426 %FS,1 h内测得零偏稳定性为0.057 9(°)/s。