力平衡模式下MEMS陀螺正交误差实时校正系统设计*

朱晓磊，郭述文，徐大诚，樊 波，卜 峰

(苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215100)

0 引 言

微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)陀螺是一种基于科氏原理的角速率传感器，具有体积小、可靠性高、成本低等优点[1]。硅微MEMS陀螺基于硅材料，采用微机械加工工艺制作而成。受加工精度限制，成品形状、尺寸等参数与设计值不一致，即存在加工误差。陀螺实际的驱动模态方向与检测模态方向不完全正交，导致正交耦合[2]，检测模态在无角速度输入的情况下输出正交误差信号，限制陀螺零偏的稳定性。因此，对正交误差进行校正具有意义。正交误差可以采用结构修调[3]方式校正，但这种方法成本较高，不适合大规模应用。也能通过电路进行校正，文献[4]在信号层面对正交误差进行自补偿；文献[5]通过交流反馈力抵消正交力，抑制正交误差；文献[6]在校正电极上施加直流电压校正刚度耦合，从源头上消除了正交误差。

本文以硅微十六边形环式陀螺为研究对象，分析了正交误差产生的原因及其温度漂移对零偏性能的影响，设计了检测模态科氏力平衡模式下的正交实时校正系统。通过仿真和实验验证了系统功能，并测试了性能。

1 正交误差分析

1.1 正交误差的产生

加工误差的存在导致驱动模态方向与检测模态方向不完全正交，从而引起机械耦合。正交误差产生原理如图1所示。图1中，x为驱动轴方向，y为检测轴方向，z为外界角速度输入方向。

图1 正交误差的产生

将误差考虑在内，陀螺的动力学方程如式(1)