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振动环陀螺的频率差补偿 摘要：振动环陀螺是微机械振动式陀螺的一个重要研究方向，它具有很好的温度特性和较高的灵敏度。对振动环式陀螺性能影响最大的就是驱动模态和检测模态之间的频率匹配问题，两个模态的频率差越小，陀螺的性能就越好。目前，国内关于振动环式陀螺的研究还比较少，关于静电式陀螺进行频率补偿问题的研究还未见报道。本文提出了一种采用静电激励，电容检测方式工作的静电式振动环陀螺，针对这种陀螺结构采用静电调整的方法补偿陀螺驱动模态和检测模态之间的频率差。分析了补偿原理，以一个具体陀螺样品为例进行实验，验证了此静电调整方法的有效性。实验结果证明：采用本文提出的调整方法，能够将振动环陀螺两个工作模态之间的频率差从160Hz调整到小于0.1Hz，极大的降低了陀螺制作过程中对工艺条件的苛刻要求，陀螺的性能随之获得极大的改善。 关键词：振动环陀螺，频率差补偿，静电调整 The frequency split compensation of a vibrating ring gyroscope Abstract: As a micromachined vibratory gyroscope, the vibrating ring gyroscope has some important features such as good temperature stability and high sensitivity. The performance of the vibrating ring gyroscope is mainly determined by the frequency split between the two flexure vibration modes used to detect the rotation. Research on how to reduce the frequency split has not been reported. A Electrostatically actuated micromachined vibrating ring gyroscope was proposed in this article, and the frequency split compensation method was discussed in details. The results show that the frequency split of the gyroscope can be reduced from 160Hz to less than 0.1Hz. Keywords: vibrating ring gyroscope , frequency split compensation, electrostatically adjustment 1 引言 振动环陀螺具有良好的温度稳定性和较高的灵敏度[1]。它属于振动式陀螺的一种，依靠敏感结构的两个固有模态来检测角速度。在理想情况下，振动环陀螺用以检测角速度的驱动模态和检测模态具有完全一致的振动形式和振动频率。但是，实际制作出的振动环陀螺由于加工条件和阻尼的影响，存在一定的非对称性，这种非对称性导致了驱动模态和检测模态之间的频率差。最终，使得陀螺灵敏度下降，影响陀螺的分辨力[2-4]。如果结构的非对称性过大，陀螺用以敏感角速度的两个工作模态之间的能量转移就会迅速下降，基本失去敏感能力，无法正常工作。经过理论研究可以证明：振动环陀螺的所有优势都基于圆环结构的对称性，如果不能保证足够的对称性，就无法满足对陀螺性能的需求。目前，国内对振动环陀螺的研究很有限，还未见关于静电式振动环陀螺的报道，关于振动环陀螺频率差调整的研究就更无法涉及。中科院电子所成功研制过电磁式的振动环陀螺，但是电磁式振动环陀螺无法补偿频率差，因此灵敏度和成品率都受到了限制[5]。可见，针对振动环陀螺频率差补偿的研究对进一步提升陀螺性能、降低对陀螺制作工艺的要求从而提升成品率有着重要意义。 通过分析，产生非对称性的原因主要包含两个方面：结构不均匀和阻尼不均匀。虽然可以通过改善制作工艺，优化封装方式的办法减小这种非对称性。但是，要想在制作工艺上改善均匀性会极大的提升对工艺的要求，提高制作难度，从而影响了成品率的提高。并且，从实际效果来看即使有着苛刻的工艺要求，陀螺的非对称性依然难以避免。各种腐蚀工艺都对陀螺的对称性提出了严酷的挑战。而封装只能在一定程度上缓解阻尼的影响，对于由结构差生非对称性没有任何作用。因此，就必须针对振动环陀螺的非对称性进行补偿。本文以静电式振动环陀螺为对象，研究了振动环陀螺频率差产生的原因和补偿原理，以此原理为基础采用一个振动环陀螺样品进行实际调整，得出实验结