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下面我们来介绍一个圆盘式的谐振陀螺
圆盘式的谐振陀螺大体的工作模式是
通过叉指电容使圆盘产生围绕圆心的摆动
当耦合进来一个角速度的时候
它会使摆动的谐振结构进一步产生偏转
那么偏转导致下电极
和偏转结构之间的电容发生了改变
从而实现对角速度的测量
比如这个图我们看到
由红色的固定叉指驱动蓝色的可动叉指
和质量块沿着圆心做摆动
如果输入一个平行于纸面的角速度
那么角速度和摆动的线速度耦合以后
使质量块产生这样的偏转
这个偏转
一方面使这一侧的电容增大
另一方面使这一侧的电容减小
因此通过差模的输出可以将电容信号获取出来
这个照片是Bosch公司所开发的
SMG060陀螺的一个芯片照片
这个制造工艺采用了12微米厚的
外延多晶硅
那么它的噪声达到了
0.02度每秒每根号赫兹
交叉之后干扰小于5%
那么线性度优于0.5%
是一个比较好的
可以在汽车和消费电子领域里面应用的
一个圆盘形的陀螺
接下来我们来看一个圆环式的陀螺
与圆盘式的陀螺不同
圆环式的陀螺它的谐振模态是
一个正交轴的伸缩
也就是对于一阶的振动模式它的一个圆环
是沿着这个方向压缩再沿着这个方向伸长
这样反复的一个过程
那么它的二阶振动模态
跟一阶振动模态是相同的
不同点在于伸长和压缩轴的方向有一个
45度的偏转
因此如果把一个圆环激励在一阶谐振模态
当角速度耦合进来以后
它会进入到二阶谐振模态
那么一阶激励和二阶响应耦合到一起以后
就会使长轴和短轴产生一个角度上的变化
那么这个变化的大小可以通过
圆环外部的电容进行测量
从而获得角速度的大小
圆环式的陀螺它具有一些非常明显的优点
首先它的结构具有对称性
频率匹配性非常好
因此灵敏度很高Q值很大
温度系数也比较低
同时它对振动和加速度的抑制能力比较强
抗冲击和振动的能力也比较高
如果需要非常大的抗冲击能力
一般会采用圆环式的结构
下面我们来看一个实例
这是由美国的Delco公司
这个公司现在已经被Northrop Grumman收购了
它所实现的一个静电驱动和电容检测式的陀螺
它包括一个固定的一个轴心
轴心支撑着沿着圆环均匀分布的弧形的支撑梁
支撑梁的外侧是一个圆形的谐振环
那么谐振环的外侧是有激励和控制电极24个
有检测电极8个
圆环产生沿着
一定方向的伸长和压缩
二阶振动模式耦合以后
会使伸长和压缩的长轴和短轴发生了旋转
那么通过分布在周围的检测电极来实现
角速度的测量
由于驱动电极和检测电极与圆环距离很小
为了防止圆环的变形与电极接触
这种陀螺一般工作在一个反馈模式下
也就是通过外部的驱动电极维持圆环
一直保持一个圆形不变
而通过反馈电极所施加的驱动力的大小
来测量角速度的大小
下面我们来看一下这个圆环形陀螺的加工
它的加工采用了一种叫做HARPSS工艺的一个方式
我们来看一下它的具体流程
首先用反应离子深刻蚀在硅上刻蚀一些深槽
这样的深槽结构对应着圆环结构
和弧形支撑梁结构
刻蚀以后沉积一层二氧化硅作为牺牲层
并且对二氧化硅进行刻蚀和图形化的定义
然后采用多晶硅填充的方式
将所刻蚀的结构
内部填满多晶硅
填充以后为了表面平整化还需要去做CMP
然后进行电学的连接
连接以后
通过一层光刻胶作为掩膜将深槽结构
中间的单晶硅全部刻蚀去除
这样就得到了所对应图形的一些
多晶硅构成的结构
最后我们来看一个
由Silicon Sensing Systems公司开发的
圆环式的谐振陀螺
它的谐振结构是由一个中间圆环
外圈有一些不规则的弹性梁支撑
它采用的激励方式是电磁的方式
也就是在结构内部通以电流
将其放置在磁场内
由磁场所产生的电磁力来驱动谐振
同时它的检测也采用了电磁检测的方式
那么利用电流回路上所产生的运动
和对应的感应电流的大小来实现对角速度的测量
整体陀螺性能水平比较高
比如说它的这个CRS09-12
它的零偏稳定性达到了每小时0.7度
而CRS39的零偏稳定性更是进一步
提高到了每小时0.2度
这个已经能够满足战术级的实际应用
最后我们来介绍一个半球式的谐振陀螺
半球式的谐振陀螺由上个世纪80年代
在美国开发成功
它实际上就是一个半球形
这个半球形的结构有不同的振动模态
它的结构和测量原理和圆环形的
谐振陀螺是基本一致的
半球形的结构有很多优点比如说
它的Q值非常高
对外部的干扰不敏感
它的热分布很均匀
热梯度也很小
因此它的温度稳定性非常高
另外它有反对称的振动模式
这种振动模式对结构厚度不敏感
对制造的容差比较大
因此这种半球形的谐振结构很容易获得
较高性能的陀螺
但是半球形的结构它的制造非常困难
我们一般采用石英或者是传统机械加工的
办法来制造
而采用硅的办法很难制造半球形的结构
从上个世纪末到2000年左右
美国的加州伯克利Irvine分校
开发了一种由吹泡玻璃所形成半球形结构的
一种工艺方式
我们来看它的结构示意图
它是把一个薄层的玻璃与一个带有腔体的
硅片键合
键合以后施加一定的高温使玻璃进入到
一个软化的过程
然后在玻璃软化的情况下
通过硅片内的腔体向里边吹气
这个吹入的气体使玻璃产生到了一个鼓泡
那么由于表面张力的作用所获得的结构
是一个比较标准的圆形
因此符合半球谐振陀螺的要求
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