图3.1.1.8  检测位移到检测电流环节的增益误差17

图3.1.1.9  解调相位差导致的增益误差18

图3.1.3.1  实验所用电路板21

图3.1.3.2  实验流程图21

图3.1.3.3  驱动频率温度曲线22

图3.1.3.4  Vds温度曲线23

图3.1.3.5  归一化标度因数温度曲线与正交信号幅度温度曲24

图3.1.3.6  正交信号幅度与Vds的关系25

图3.1.3.7  标度因数与 的关系25

图3.1.3.8  用 对标度因数进行补偿后的温度曲线26

图3.1.3.9  Simulink仿真系统框架图27

图3.1.3.10  仿真结果中SF与 的关系27

表1 陀螺仪性能指标、成本与应用领域3

1  引言

1.1  研究背景与意义

陀螺仪是用于测量运动载体相对于惯性空间转动角速度或角位移的传感装置，用于实现运动载体姿态和轨迹的控制，是决定惯性系统精度的核心部件，其中硅微型机械振动陀螺仪是近十几年发展起来的一种新型陀螺仪，是MEMS惯性测量单元的重要组成部分之一，并以其体积小、质量轻、低成本、低功耗等优点广泛地应用于汽车稳定系统、图像稳定系统、机器人和其它军事及民用领域。

硅微机械陀螺仪使用硅材料，通过IC工艺与MEMS工艺制造而成[1]。硅材料是一种热敏材料，温度的变化会引起陀螺仪结构尺寸发生变化，同时也会引起材料特性的改变。而结构尺寸与材料特性会影响陀螺的谐振频率与机械品质因数，进而影响陀螺输出性能。这些温度误差会随着时间累积起来，因此硅微机械陀螺仪目前只能应用于低端惯性系统中。

目前减小温度误差对硅微机械陀螺的影响的方法主要是通过拟合多次多项式建立温度模型，针对温度模型进行补偿。温度补偿的关键，是温度模型建立的正确性。为了从根源上解决温度对陀螺仪的影响，则需要充分研究硅微机械陀螺仪的温度特性，研究温度误差的产生机理与影响，在此基础上建立正确的温度模型并予以补偿。

1.2  硅微机械陀螺仪发展

1.2.1  首个硅微机械陀螺仪的设计理念[3]

1991年，世界上第一个音叉陀螺由Draper实验室设计制造。Draper实验室所设计的音叉陀螺在借鉴传统机械陀螺和光学陀螺的经验以及双框架陀螺的同时，还采用了如下设计理念。

（1）最大化有效质量：这里有效质量指检测质量。有效质量的增大会使陀螺仪通过哥氏效应产生的哥氏力增大，并且可以使陀螺的标度因数增大。Draper实验室设计微机械陀螺的突破口，是将驱动梳齿与音叉结合在了一起，并将陀螺设计成对称结构以获得良好的性能。

（2）增大活动层厚度：Draper实验室设计初期参考了UC Berkeley的研究，他们的多晶硅淀积活动层深度为1.5~2μm，而Draper实验室将音叉陀螺的活动层深度设计为5~6μm以获取更好的性能。同时在设计活动层的时候，要考虑驱动梳齿所受到的驱动力应当尽量使得驱动梳齿水平运动，否则若出现如图1所示误差力，会产生驱动信号的偏置误差。设计额外的支撑梁可以减小这种误差。Draper实验室所设计的音叉陀螺是面内驱动，并在垂直方向检测角速度。

图1.2.1.1  所需求的驱动力与误差力

（3）抑制正交误差：正交误差信号与哥氏加速度信号相差90°，其产生原因主要是检测轴与驱动轴并非严格垂直。正交误差可以通过相位解调电路技术抑制，但是由于正交误差信号通常很大，会引起电路前置放大器饱和，无法有效放大有用信号，而且相位解调电路的抑制效果有限，因此减小正交误差信号不能依赖电路调节，而应该从根源、从结构上来考虑。除了电路调节，正交误差信号还可以通过加工精度与修调两种方式减小。对于实际已经生产出来的陀螺，可以通过去除角或者添加小质量块的方式来调整面内惯性积，如图2所示。随着对陀螺仪结构设计的改变以及深反应离子刻蚀（DRIE）技术的发展，修调技术渐渐被淘汰。