由于MEMS陀螺仪体积小、功耗小、成本低,美国JPL实验室试图将其应用在航空航天领域中。但是由于实际宇宙温度环境十分复杂,他们需要充分研究MEMS陀螺仪的温度特性并对其进行补偿,提高精度,才能投入实际应用。JPL实验室对陀螺仪的驱动频率、检测频率与AGC自动增益控制环路的控制电压的温度特性进行了详细研究。他们所得到的频率温度系数为0.09Hz/℃,而AGC自动增益控制环路的控制电压温度系数为13mV/℃。在研究频率温度特性时,JPL实验室对曲线进行分段拟合,提高研究结果可信度。但JPL实验室并未给出最终温度模型与补偿模型[5][6]。42452
斯坦福大学的Matthew等人通过在谐振器件旁安装温度传感器来研究谐振频率与品质因数的温度特性。由于频率与温度成线性关系,品质因数可以体现陀螺仪内部温度,他们便利用品质因数作为“温度传感器”对驱动频率进行补偿。补偿结果是使谐振器频率温度特性大大改善,驱动频率的温度系数降到了1ppm/℃[7]。论文网
哈尔滨工业大学的徐丽娜、邓正隆等人在研究内框驱动式硅微机械陀螺仪的温度特性时,建立了静态陀螺温度模型,由硅材料塞贝克效应推导出陀螺仪温度梯度模型,在对表头温度变形引起干扰力矩的分析的基础上分析了微机械陀螺仪输出比力与角速度的误差。他们在此改进的温度误差模型上进行了实验,补偿后零偏稳定性提高53倍[8]。
南京理工大学MEMS研究中心对驱动频率进行温度特性的理论分析与实验验证,提出在振铃原理基础上对双质量硅微机械陀螺进行分析,以此验证了国内对硅微机械陀螺固有频率温度特性只考虑杨氏模量温度系数影响频率的合理性[9]。
大量研究表明,硅微机械陀螺仪温度误差主要来自于陀螺结构与材料特性,直观体现在频率与温度的变化关系上;而抑制硅微机械陀螺仪温度误差的方法有三种:一是通过工艺的优化来降低结构的温度系数,二是对陀螺仪的工作环境的温度进行控制;三是在大量温度实验的基础上通过拟合来建立温度误差模型,并针对模型进行补偿[10]。
通过控温与实验建立温度误差模型的方式对陀螺仪温度误差进行补偿虽然有效,但这些补偿模型无法从根本上反应和解决温度对硅微机械陀螺仪精度所产生的影响,因此纯粹通过实验拟合的方式来研究温度模型与进行温度补偿是不够的。研究陀螺自身的温度特性,从根本上改进硅微机械陀螺仪、建立正确的温度模型才是陀螺仪温度误差补偿的关键