对称分布的三轴谐振陀螺仪的设计、分析与仿真*

陈竟成，许高斌，马渊明，陈兴

（合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽省MEMS工程技术研究中心，合肥230009）

对称分布的三轴谐振陀螺仪的设计、分析与仿真*

陈竟成，许高斌*，马渊明，陈兴

（合肥工业大学电子科学与应用物理学院，安徽省MEMS工程技术研究中心，合肥230009）

为了实现单片集成三轴陀螺仪，提出了一种完全对称的四方陀螺结构。介绍了该陀螺的结构设计及工作原理，给出了动力学简化模型，并给出了其动力学方程的详细推导。运用Ansys软件对陀螺结构进行了静态分析和模态分析，仿真结果表明，陀螺在施加100 GHz载荷下所受最大应力为1.942 MPa，陀螺各模态的固有频率分别为57.345 kHz、57.382 kHz以及57.395 kHz，各模态间匹配性能较好。对陀螺结构的仿真研究的结果表明其抗过载及模态匹配满足陀螺的设计要求。

三轴陀螺；对称；动力学分析；抗过载；模态匹配

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.006

微陀螺广泛地应用于民用电子设备、惯性导航系统、飞行器制导与控制、汽车导航及安全、军事武器等应用中。在微陀螺的应用中，很多时候需要同时测量三个方向的角速度，传统的解决方法是将三个单轴组合成一个集成的三轴陀螺仪［1］，这种结构其体积大，功耗高，可靠性能差，因而逐渐被淘汰，转而研发可以单片集成的有单一结构组成的三轴陀螺仪。

美国ST公司开发了一种The Beating Heart结构的三轴陀螺仪［2］，该陀螺已被应用于iphone4之中，其最大量程为2 000°/s，有效工作温度在-40℃至80℃，工作电压为3.6 V，平均噪声密度小于0.03 dps/√Hz，整个芯片大小为4.4 mm×7.5 mm× 1.0 mm。意大利比萨大学的GiomiE等人开发了一种由八块板块对称分布的陀螺仪结构［3］，其噪声密度为0.1°/s√Hz，该陀螺仪采用了模拟CDMA技术，减少了模拟前段，使得硅片面积减少了24%。……