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微机械陀螺是一种重要的惯性传感器,具有集成度高、体积小、功耗低等优点。然而,硅材料和电子器件的温度敏感性使得微机械陀螺的零偏和标度因数存在温度漂移,制约了微机械陀螺的工程应用范围;微机械加工相对较大的工艺误差使得微机械陀螺的驱动模态和检测模态存在频率失配,不仅造成陀螺的机械灵敏度恶化,也导致陀螺检测模态存在驱动耦合过来的正交误差。本论文以降低微机械陀螺的温度敏感性和提高微机械陀螺的机械灵敏度为研究目标。本论文通过一种基于三角形电极(Triangular-Electrode Based,TEB)自校准电容检测方案,有效降低陀螺零偏和标度因数的温度敏感性;针对没有设计三角形电极的陀螺也提出了基于初始电容差的温度补偿方案,能够实现对陀螺零偏的实时温度补偿;此外,本论文提出一种基于三角形电极的线性参量放大技术,可同时实现调谐和参量放大,将该参量放大技术应用在微机械陀螺的驱动模态,提出了一种基于参量放大的新型驱动闭环方案,能够降低陀螺的温度敏感性和噪声,将该参量放大技术应用在微机械陀螺的检测模态,同时实现模态预匹配和参量放大,极大提高了陀螺的机械灵敏度,并在参量放大的同时减小了陀螺的正交误差。论文主要创新点和工作内容如下:1)首先对微机械陀螺零偏和标度因数与陀螺动力学参数和电学参数的关系进行建模分析。接着,对课题组前期所提的TEB自校准电容检测方案进行温度效应的分析,理论上该方案能够降低零偏和标度因数的温度敏感性。实验表明,驱动模态采用TEB电容检测方案后,在-10℃到60℃的温度区间,陀螺的标度因数温度系数从采用常规机电幅度调制(Electromechanical Amplitude Modulation,EAM)方案的-8845 ppm/℃减小为1660 ppm/℃,改善5.3倍;零偏温度系数从-0.97°/s/℃减小为-0.42°/s/℃,改善2.3倍。针对没有设计三角形检测电极的陀螺,提出了一种基于初始电容差的温度补偿方案,在40℃降温到15℃的过程陀螺的零偏温度系数从0.624°/s/℃减小为0.0584°/s/℃,改善倍数高达11倍。2)研究基于三角形电极的线性参量放大方案,避免传统的变间距电极参量放大方案在参量放大的同时加剧弹性系数非线性项对振动模态的影响,即“硬弹簧效应”或“软弹簧效应”。对线性参量放大进行理论建模,获得了参量放大马蒂厄方程的第一不稳定区域的临界条件和频率条件,并分析参量放大倍数与调谐电压交流分量的幅度和相位的关系。在三角形调谐电极上施加的调谐电压采用了驱动频率二倍频分量与直流分量之和的平方根的形式,与其他参量放大电压形式相比,这种电压形式的优点是调谐电压的直流分量和二倍频分量幅度可以分别调节直流调谐和参量放大的效果。实验表明,在真空封装陀螺的检测模态测试到了11倍的参量放大倍数,与理论和仿真结论一致。3)通过将线性参量放大应用于微机械陀螺驱动模态,首次提出了一种新型驱动闭环方案,能同时控制陀螺驱动模态等效谐振频率和等效品质因子保持恒定。通过调节施加在驱动三角形电极上的调谐电压直流分量,可以实现对驱动谐振频率的调节,使其保持恒定而不受温度的影响;通过调节施加在三角形电极上的调谐电压二倍频分量的幅度,可以实现对驱动模态参量放大倍数的调节,从而保持驱动模态的等效品质因子恒定。由于陀螺的零偏和标度因数受到驱动谐振频率和品质因子波动的影响,恒定驱动谐振频率和恒定驱动等效品质因子的驱动方案有望降低陀螺零偏和标度因数的温度敏感性。实验结果表明,在60℃到49℃的自然降温过程中陀螺的零偏漂移能够从传统PLL-AGC方案下的2°/s降到新型CRF-PE方案下的1°/s,初步显示了该方案降低陀螺温度敏感性的潜力。此外,该驱动方案能够实时辨识出陀螺驱动模态的本征谐振频率和本征品质因子。4)通过将线性参量放大应用于微机械陀螺检测模态,可同时实现陀螺的模态预匹配和线性参量放大,不仅有效提高了陀螺的机械灵敏度,同时也有效地抑制了正交误差。参量放大应用于陀螺检测模态的测试结果如下:(1)大气环境下,同时实现了模态预匹配和线性参量放大,与模态预匹配的情况相比,参量放大使得陀螺标度因数增加了1.363倍,角度随机游走从0.29°/√h减小为0.21°/√h,偏置不稳定性从16.83°/h减小为10.44°/h;(2)真空环境下,同时实现了模态预匹配和线性参量放大,与模态预匹配的情况相比,参量放大使得陀螺标度因数增加了4.66倍,这个过程中正交误差从9°/s降为1°/s;零偏标准差从20.6604°/h减小为2.97108°/h,改善倍数为6.95倍;角度随机游走从0.1745°/√h减小为0.0322°/√h,改善倍数为5.4倍;偏置不稳定性从3.609°/h减小为0.434°/h,改善倍数为8.3倍。以上测试结果表明,在参量放大的同时能够降低正交误差,不仅提高陀螺的机械灵敏度,降低微机械陀螺零偏噪声,也使得陀螺的稳定性变好。与大气环境相比,真空环境下的参量放大倍数更高,对陀螺性能的改善也更显著。