[发明专利]一种加快微机电陀螺零偏稳定时间的方法

说明书

本发明的目的是用于加快微机电陀螺零偏稳定时间的方法，该方法通过对陀螺的正交误差进行主动抑制，同时配合陀螺谐振频率信息对零位输出进行补偿，将影响陀螺上电后热漂移的主要影响参数进行有效抑制，可以显著加快微机电陀螺的零偏稳定时间。

技术领域

本发明涉及了一种用于加快微机电陀螺零偏稳定时间的方法，采用陀螺正交误差主动抑制以及谐振频率补偿，属于微机电惯性传感器技术领域。

背景技术

微机电陀螺是用微电子工艺加工的特征尺寸在微米量级的器件，用于测量载体的角速度，其体积小、成本低、适于批量加工及易与ASIC集成，有着广泛的应用前景和迫切的市场需求，目前已成功应用于汽车、消费类电子等工业、民用领域以及制导武器等军用领域。

微机电振动式陀螺基于科里奥利力原理工作，通常有两个模态：驱动模态和敏感模态。正常工作时，通过自动增益控制环路使陀螺在驱动模态方向上做恒幅振动，当沿陀螺的敏感轴有角速率输入时，会在敏感模态方向上产生一个正比于外界角速率输入的科里奥利力(简称科氏力)，陀螺振动质量块在该科氏力作用下沿检测轴向振动，其位移变化可以通过电容拾取结构变为电容变化，再通过微小电容读出电路将电容变化量转换为电压变化量，最后通过同步解调以获得角速率信息。

零偏稳定性是指在无外界角速率输入条件下，陀螺在一段时间内的零位波动情况，通常用这段时间内零位值的标准差来衡量，是反映陀螺精度等级的重要参数。评价陀螺零偏稳定性的另一个重要指标是稳定时间。根据“IEEE Standard for Inertial SensorTerminology.IEEE Std 528-2001”定义，稳定时间指陀螺上电后，从何时起能够达到陀螺所标定的零偏稳定性指标。微机电陀螺的稳定时间由两部分组成，一是陀螺测控电路的环路稳定时间，另一个是陀螺达到热平衡的时间。前者主要由控制环路的稳定时间来决定，通常在百毫秒量级，可忽略不计；后者是由于微机电陀螺对温度及环境应力非常敏感，在上电后，测控电路发热，会传递到陀螺敏感结构，造成陀螺参数发生缓变，进而使零位输出产生热漂移，是影响陀螺零位稳定时间的主要因素。

为了加快微机电陀螺零位稳定时间，通常采用温度补偿的方法，即在陀螺表头附近安装温度传感器实时测量环境温度信息。该方法的优点是简单易行，其缺点是由于温度梯度的存在，温度传感器所获取的温度并不能真实反映陀螺表头的实际温度值，这会导致补偿效果变差。针对此问题文献：陈怀，张嵘，周斌，陈志勇，.微机械陀螺仪温度特性及补偿算法研究[J].传感器技术，2004，(10)；满海鸥，肖定邦，吴学忠，陈志华，侯占强，.硅微陀螺模态频率温度特性的研究[J].传感技术学报，2009，(8)；凤瑞，裘安萍，施芹，苏岩，.双质量硅微机械陀螺固有频率温度特性研究[J].南京理工大学学报，2013，(1)等分析了陀螺的驱动轴相位、频率与温度的关系，指出驱动轴谐振频率与温度成近似线性关系，因此可利用频率信息进行温度补偿，克服了外置温度传感器与陀螺表头温度不完全一致的缺点。但由于陀螺上电后的零位受正交误差、谐振频率、解调相位误差等影响，因此单一谐振频率或者温度传感器输出并不能完全解决陀螺上电后的热漂移特性，补偿效果有限，不能显著加快稳定时间。

发明内容

本发明的目的是用于加快微机电陀螺零偏稳定时间的方法，该方法通过对陀螺的正交误差进行主动抑制，同时配合陀螺谐振频率信息对零位输出进行补偿，将影响陀螺上电后热漂移的主要影响参数进行有效抑制，可以显著加快微机电陀螺的零偏稳定时间。

具体地，开环工作方式下的高真空封装的微机电陀螺的标度因数可以表达为式(1)，

其中，δ为与结构和前置电路相关的常数，k_sd为正交刚度，R为陀螺驱动闭环控制幅度，ω_nd为驱动频率，ω_ns为驱动模态谐振频率，Δω为两模态谐振频率的差值，θ为解调相位误差，K_d为解调增益。将式(1)对温度求导，同时考虑到两模态的谐振频率温度变化有较好的一致性，可得到标度因数的温度灵敏度如式(2)所示