プッシュプル駆動型ディスク共振器ジャイロスコープにおけるパラメトリックおよびサブハーモニック励起の分析

マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）共振器の場合、デバイスが製造およびパッケージ化されると、本質的な品質要因（Q）が修正され、変更できないため、共振器のパフォーマンスのさらなる改善が大幅に制限されます。このホワイトペーパーでは、パラメトリック励起をプッシュプル駆動型ディスク共振器ジャイロスコープ（DRG）に適用して、電気ポンプによる感度を改善し、「有効Q」の任意の増加を引き起こします。ただし、プッシュプル駆動法の違いにより、従来のパラメトリック励起方法は適用されません。その結果、プッシュプル駆動型DRGでパラメトリックな励起を実現するために2つの新しい方法が提案され、実験的に実行され、実験では2.24×106の最大「有効Q」があり、本質的なQよりも約7.6倍の改善が行われます。。しきい値電圧によって定義されるパラメトリック励起の安定性境界は、理論的に予測され、関連する実験によって検証されます。ジャイロスコープの振動を一定の振幅で保持すると、パラメトリック電圧の増加とともに基本周波数の駆動電圧が低下し、そのしきい値でゼロに低下することが実証されています。この場合、ジャイロスコープは一般化されたパラメトリック共鳴条件で動作します。これは、サブ調和の励起と呼ばれます。このペーパーで表示されている新しいパラメトリックおよびサブハーモニック励起理論は、品質係数を柔軟に調整するための大きな可能性を備えた効率的で調整可能な動的方法であることが証明されています。

For micro-electromechanical system (MEMS) resonators, once the devices are fabricated and packaged, their intrinsic quality factors (Q) will be fixed and cannot be changed, which seriously limits the further improvement of the resonator's performance. In this paper, parametric excitation is applied in a push-pull driven disk resonator gyroscope (DRG) to improve its sensitivity by an electrical pump, causing an arbitrary increase of the "effective Q". However, due to the differential characteristics of the push-pull driving method, the traditional parametric excitation method is not applicable. As a result, two novel methods are proposed and experimentally carried out to achieve parametric excitation in the push-pull driven DRGs, resulting in a maximum "effective Q" of 2.24 × 106 in the experiment, about a 7.6 times improvement over the intrinsic Q. Besides, subharmonic excitation is also theoretically analyzed and experimentally characterized. The stability boundary of parametric excitation, defined by a threshold voltage, is theoretically predicted and verified by related experiments. It is demonstrated that, when keeping the gyroscope's vibration at a constant amplitude, the fundamental frequency driving voltage will decrease with the increasing of the parametric voltage and will drop to zero at its threshold value. In this case, the gyroscope operates in a generalized parametric resonance condition, which is called subharmonic excitation. The novel parametric and subharmonic excitation theories displayed in this paper are proven to be efficient and tunable dynamical methods with great potential for adjusting the quality factor flexibly, which can be used to further enhance the resonator's performance.