《導航級矽微靜電陀螺的漂移誤差抑制方法研究》是依託清華大學，由韓豐田擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：導航級矽微靜電陀螺的漂移誤差抑制方法研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：韓豐田
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
振動式微機械陀螺的套用日益廣泛，但精度尚未取得根本突破。而微靜電陀螺是一種不同於振動式陀螺、可實現雙軸角速率測量的轉子式微機械陀螺，具有傳統靜電陀螺精度高的潛力。研究其漂移誤差規律及抑制方法對於提高該型陀螺儀的精度非常有效，但有待深入研究。申請人在自然科學基金資助下研製出了矽微靜電陀螺樣機，轉速達到12000rpm。本項目擬在前期研究工作基礎上，針對採用環形轉子、體矽工藝、五自由度靜電懸浮的微靜電陀螺儀，研究該型MEMS陀螺產生漂移的機理及物理模型，闡明漂移誤差的傳播規律及抑制途徑；以漂移誤差最小為目標，探索力矩再平衡迴路和轉子恆速迴路的最佳化設計方法；研究描述微靜電陀螺規律性漂移誤差的數學模型，開展漂移誤差模型辨識與補償方法的實驗研究，實現陀螺零偏穩定性優於0.1 /h的研究目標。本項目有望將微靜電陀螺的精度從戰術級提升至導航級，對於突破微機械陀螺的精度極限具有重要的理論意義與套用價值。
結題摘要
矽微靜電陀螺作為一種轉子式雙軸角速率陀螺儀，依靠可控靜電力支承高速旋轉的轉子，不存在機械摩擦、磨損，精度高，壽命長。研究其漂移誤差規律及抑制方法對於提高陀螺儀精度非常有效。本項目系統研究了該型陀螺產生漂移誤差的產生機理、物理模型及抑制途徑，完成了陀螺結構最佳化與體矽工藝改進研究，提出並驗證了基於力矩再平衡迴路解耦和轉子精密恆速控制的漂移誤差抑制方法。 本項目主要研究內容及取得的成果包括：（1）完成了微陀螺的體矽加工工藝最佳化與流片試驗，提高了加工精度，器件成品率提升至93%；（2）實現了陀螺轉子轉速的快速啟動與精密恆速控制，解決了陀螺啟動時間長、真空條件下轉子易失步的問題，將啟動時間大幅度縮短至438.5秒，恆速控制精度優於萬分之一，顯著提高了陀螺標度因子穩定性；（3）綜合利用剛度補償、控制解耦與輸出解耦方法，有效地抑制了再平衡迴路的角位移與角速率耦合分量，在1Hz和10Hz處耦合分量分別被抑制了80.8%和62.7%；（4）採用有限元方法建模並精確計算出了五自由度氣膜阻尼係數的數值解，解決了多軸靜電懸浮系統的建模與控制問題；（5）探索出矽微靜電陀螺的器件級真空封裝工藝，成功加工出真空度優於10-1Pa的微陀螺真空封裝樣機。測試表明，轉子轉速為1.5×104 rpm時，微陀螺樣機的標度因數為20.23mV/°/s，解析度為0.012°/s，零偏不穩定性為18.1°/h，角度隨機遊走為2.067°/√h。 目前成功探索出了矽微靜電陀螺的體矽工藝路線，填補了國內三層玻/矽/玻鍵合的MEMS器件加工工藝空白；提出的陀螺快速啟動與精密恆速控制、力矩再平衡迴路解耦方法是提高陀螺精度的有效途徑；建立了描述矽微靜電陀螺規律性漂移誤差的數學模型，探索了漂移誤差模型辨識與補償的實驗方法。研究工作為進一步提升矽微靜電陀螺的精度指明了技術途徑，對於突破MEMS陀螺的精度水平具有重要的理論意義和工程套用價值。
