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东南大学硕士学位论文基于非谐振原理的硅微机械陀螺仪的结构设计研究姓名：何小磊申请学位级别：硕士专业：精密仪器与技术指导教师：苏岩20060612基于非谐振原理的硅微机械陀螺仪的结构设计研究作者：何小磊学位授予单位：东南大学相似文献(10条)1.期刊论文方玉明.茅盘松内框驱动式硅微型角振动陀螺仪灵敏度研究-电子器件2004,27(1)建立了内框驱动式硅微型角振动陀螺仪的运动方程,导出了灵敏度方程,提出了提高陀螺系统灵敏度的简单可行的方法,即:设计制造陀螺仪时,使内外框架固有频率相等,或驱动信号采用二个正弦波之和,二个正弦波的频率应选为框架的固有频率.2.期刊论文张洁.周百令.ZHANGJie.ZHOUBailing一种新颖的z轴硅微陀螺仪信号检测方案研究-现代电子技术2007,30(18)硅微陀螺仪具有体积小、功耗低、可靠性高等优点,在惯性测量领域有着广泛的应用前景.为了提高陀螺仪测量的灵敏度和信噪比,提出了一种新颖的信号检测方案.该方案研究了硅微陀螺仪驱动模态、检测模态的动力学方程,建立了陀螺仪等效力学模型,观察陀螺仪的动态特性,探讨硅微陀螺仪信号检测方法,并对陀螺仪的机械结构及检测电路进行系统仿真.仿真结果验证了相位检测方案的可行性.3.学位论文杨晓波一种梳状振动型微陀螺仪的研究2006微陀螺仪是用于测量物体相对惯性空间转动的角度或角速度的传感器装置，其中硅微型振动陀螺仪是随着微电子技术和微机械加工技术的发展而研制出的一类新型角速率传感器，它用微幅振动代替高速旋转，具有体积小，重量轻及成本低，可靠性高，易于批量生产和便于与电子线路集成等其它类型微陀螺仪无法比拟的优点，因此在军民等领域具有广阔的应用前景。本论文对梳状静电驱动电容检测的振动式微陀螺仪进行了研究，它的驱动不受电容间隙限制，可以获得较大的驱动振幅，且驱动力与位移无关，品质因子较高，信号处理电路易于实现，因此梳状驱动微机械陀螺仪是一种颇具吸引力的微振动陀螺仪结构。本论文共分六章，第一章介绍了MEMS的发展历程及微陀螺仪的发展历程，详细介绍了微机械振动式陀螺仪区别其它形式微陀螺仪的优点。第二章介绍了MEMS制造技术及梳状驱动微机械陀螺仪的制作工艺。第三章分析了梳状驱动微机械陀螺仪的工作原理及其结构图，并且建立了数学模型，推导出其运动微分方程，求出梳状驱动微机械陀螺仪的检测位移，并分析了微陀螺仪的运动规律。第四章研究了梳状振动微机械陀螺仪静电梳齿电容驱动原理和电容检测原理，求出了驱动力及检测灵敏度。提出了影响微陀螺仪性能的两个重要指标：检测灵敏度和工作带宽。并得出规律：要想提高微陀螺仪的灵敏度，必须使驱动和检测固有模态有合适的偏差，这些为下文的仿真分析提供了理论依据。第五章基于Conventor软件，对微机械梳状陀螺仪固有特征频率、各轴的静态位移、吸合电压、对梳齿施加直流偏置电压后各轴的幅频相频特性及质量块的结构对驱动和检测频率的影响等进行了分析。选出了一组合适的悬臂梁参数，使微陀螺仪具有较高的灵敏度。基于Intellisuite软件对各向异性刻蚀工艺进行了仿真。通过设定腐蚀条件，软件将显示各晶向的腐蚀速率，由腐蚀速率和需要刻蚀的深度，可以计算出腐蚀时间，从而为实验提供理论基础。第六章建立了梳状驱动微机械陀螺仪的驱动和检测电学模型。因为仅有微机械陀螺器件是不能检测角速度信号的，必须通过接口电路把陀螺的机械振动信号转化为电信号并进行处理，以此得到角速度信号，而且微陀螺仪工作还需要接口电路提供驱动信号，并且微陀螺仪的许多误差需要接口电路来纠正和消除，本章设计了梳状驱动微机械陀螺仪的接口驱动和检测电路。本论文的研究对微机械梳状振动式陀螺仪的设计制作具有一定的理论指导意义。4.期刊论文何晓磊.苏岩.HeXiaolei.SuYan采用DDSOG工艺加工Z轴微机械陀螺仪实验-东南大学学报（自然科学版）2005,35(4)从理论上分析了Z轴微机械陀螺仪结构的工作机理,比较了体硅薄片融解工艺和DDSOG工艺的优缺点.介绍了采用DDSOG工艺加工的Z轴微机械振动陀螺的特点,并与采用体硅薄片融解工艺加工的相同Z轴微机械振动陀螺进行了残余应力、品质因数及灵敏度等性能参数的比较,采用DDSOG工艺后陀螺的驱动品质因数是原来体硅薄片融解工艺的1.45倍,而检测品质因数是原来的0.11倍.最后,比较了采用2种不同工艺加工后Z轴微机械陀螺的实验结果,结果表明采用DDSOG工艺加工后陀螺的灵敏度比原来采用体硅薄片融解工艺加工的陀螺的灵敏度提高了近10倍.5.学位论文李明硅微惯性敏感器设计分析与数值模拟研究2000硅微惯性敏感器作为一类新兴的微型机电系统(MEMS)，具有广泛的军事应用背景和巨大的商业价值。硅微惯性敏感器的制作多数采用与集成电路相兼容的半导体加工工艺，制造工艺尚不成熟，设计理论也不完善，目前仍处于探索阶段。计算机辅助工程(CAE)是目前发达国家在进行高层次产品设计中普遍采用的先进工程分析计算方法。借助先进的计算机软、硬件，和数值仿真算法程序，可为设计者提供直接的“虚拟样机”模型和计算机实验数据。在设计阶段模拟产品的实时工作状况，及时发现产品潜在的设计缺陷，进行优化设计，并能在设计阶段较准确的检验产品的各项性能指标，显著减少设计与制造成本。本文尝试应用CAE技术，采用有限元方法，进行硅微惯性敏感器设计分析和数值模拟研究1.硅微惯性敏感器结构有限元模型的建立。针对硅微惯性敏感器的结构特点，采用三维实体单元，建立了Ⅰ型、Ⅱ型单自由度振动轮式陀螺仪，两自由度振动轮式陀螺仪和硅微折叠梁式加速度计的结构有限元模型：采用平板薄壳单元建立了硅微扭摆式加速度计的有限元模型。2.硅微惯性敏感器的模态分析和刚度设计。通过模态分析和优化结构，确定了符合模态振型和频率要求的Ⅰ型、Ⅱ型单自由度陀螺仪和两自由度振动轮式陀螺仪的结构尺寸和刚度。硅微扭摆式加速度计的模态分析结果表明，其工作频率较低，使用范围受到限制：而折叠梁式加速度计的工作频率大大提高，通频带较宽。提出了用于评价隔离式振动轮式陀螺仪模态耦合程度的解耦系数。针对振动轮式陀螺仪支承梁部分刚度设计的难点，提出采用经验公式来进行计算。通过大量仿真，得到了在典型的长度，宽度和厚度条件下支承梁的刚度计算经验公式的修正系数。研究了修正系数与结构各尺寸参数的变化规律，大大提高了设计效率。3.硅微惯性敏感器动响应分析。系统对Ⅰ、Ⅱ型陀螺仪，两自由度陀螺仪和两种硅微加速度计进行了的动响应研究。分析比较了在不同冲击加速度下的结构动响应，确定了各型陀螺仪，加速度计的最大耐冲击能力。研究了振动轮式陀螺仪谐振频率和灵敏度的关系。计算结果表明驱动模态频率和敏感模态频率微小的频率差将大大降低陀螺仪的灵敏度。通过调节驱动频率可较大幅度提高振动轮式陀螺仪的灵敏度。该方法简单可行，但提高灵敏度的效果是有限的。论文指出解决此问题的根本方法是实现两个频率的动态匹配。在有限元模型上模拟并验证了采用直流偏置电压调整法可调节敏感模态的谐振频率，使之与驱动模态谐振频率动态匹配，从而使陀螺仪灵敏度达到理想的最人值。定最计算了型陀螺仪谐振频率和灵敏度与直流偏置电压的关系，确定了达到完全振所需加载的直流电压值。研究了振动轮式陀螺仪的线性特征，构造了有限元求解的迭代算法，定量计算表明振动轮式陀螺仪随输入角速度变化而产生严重的非线性输出。提出采用自动增益控制(AGC)方法控制驱动幅值以消除非线性影响。4.硅微惯性敏感器静电场问题分析。立了硅微振动轮陀螺仪叉齿驱动的静电场有限元模型，得到了型陀螺仪梳状驱动器的静电驱动力矩的数值解。数值计算结果发现在一定范围内电场贮能与角位移成线性关系，静电驱动力的大小与角位移无关；当动齿和静齿电极端部很接近时，静电吸力剧幅增加，呈现明显的非线性特征．指出对于I型陀螺仪的叉齿，周向位移的允许值δ,peam．为最大周向间隙δ,max的2/3。同时进一步讨论了数值解的精度问题，证明了基于电场贮能的算法精度最高。研究并定量计算了阻尼孔对电容信号器的影响，发现开设适当的阻尼孔对信号器电容量的影响是有限的。只要工艺允许，在相同面积比下，孔的密度越大，电容损失越小，因此提出采用骨架型结构．研究分析了静电驱动的“悬浮”效应，提出了计算振动轮式谐振器静电悬浮力的近似计算公式，定量计算了型陀螺仪梳状驱动器的总静电悬浮力。由此指出梳齿驱动电极布置的对称性特别是相对于输出轴的对称性十分重要。当梳状电极用于闭环检测时．必须考虑悬浮效应，不能随意布置。5.温度对硅微惯性敏感器性能的影响研究。分析了温度变化引起的硅材料主要特性的变化。采用间接耦合法，在0℃100℃范围内定量计算了I型陀螺仪的驱动模态和敏感模态的固有频率，以及驱动角振幅的变化。分析计算了在硅-硅键合和硅-玻璃键合两种情况下的热应力。采用应力释放槽可明显减小和改善热应力的分布。定量分析计算了I型陀螺仪在不同偏心，不同位置，以及不同线膨胀系数下的稳态输出误差。以Raleigh阻尼模型为基础，研究了单纯考虑结构阻尼时温度对品质因数的影响。6.期刊论文孙玉国.SUNYu-guo微机械振动式陀螺仪灵敏度分析-噪声与振动控制2008,28(3)微机械振动式陀螺仪在飞机、轮船的惯性导航系统中有重要应用.介绍微机械振动式陀螺仪的工作原理.给出其运动微分方程.推导谐振幅值相对于转动角速度的灵敏度表达式.分析表明:谐振状态下哥氏力与静电力成正比,与驱动模态频率成反比.减小检测质量块的刚度可提高陀螺仪的灵敏度.7.学位论文阮爱武梳状驱动硅微陀螺的理论及设计方法研究1998该文研究的意义在于,为国内外方兴未艾的硅微机械陀螺探索设计理论和方法,研究设计过程中的技术难题,并为克服这些难题提出可能的解决途径.该文研究内容具有普遍意义,不仅适用于微机械陀螺仪,而且适用于机械加速计、微机械压力的传感器、微机械执行器等.8.期刊论文艾叶.刘胜.罗小兵.罗荣锋.AiYe.LiuSheng.LuoXiaobing.LuoRongfeng一种新型微热流陀螺仪的结构参数研究-华中科技大学学报（自然科学版）2007,35(z1)提出了一种基于双向流体检测角速度的微热流陀螺仪.不同于射流偏转工作方式,它采用对称分流通道结构,利用哥式力引起对称分流通道的流量不同,导致流体与布置于分流通道内的热敏器件对流传热不同,通过检测热敏器件的温差获得角速度.采用计算流体动力学(CFD)模型计算并分析了不同结构参数(主通道长、宽、高,主通道张角,两分流通道角度,拐角的过渡圆弧,分叉尖角的圆弧倒角)对检测灵敏度的影响.结果表明使流体速度充分偏转和减小分流通道流动阻力有利于提高检测灵敏度.9.学位论文罗源源基于隧道效应的力平衡式MEMS陀螺仪的设计研究2007通过充分调研和详细分析目前国内外硅微机械陀螺的研究状况，当前绝大多数硅微机械陀螺仪采用电容式传感器检测陀螺仪输出信号，随着陀螺仪表结构尺寸极大缩小，传统电容检测技术的灵敏度和分辨率也大大降低，达到了检测的极限状态，检测输出信号的信噪比非常低，信号检测电路和处理电路极为复杂。针对此现象，本论文提出了利用电极间的隧道效应敏感陀螺输出位移的微小变化，该陀螺采用正交式悬臂梁结构，有效地抑制了机械耦合对器件造成的不良影响，其驱动、检测模态谐振频率的精确匹配保证了陀螺较高的灵敏度。论文首先介绍了隧道式微机械陀螺的设计理论基础，给出了微机械振动式陀螺的动力学方程，分析了陀螺的检测灵敏度和工作带宽，对微机械陀螺设计中所涉及的静电驱动和隧道电流检测给予了简单的介绍，对微机械运动中受到的空气阻尼问题进行了分析，并讨论了微机械陀螺中的寄生Coriolis力和轴向加速度对角速度检测的干扰等问题。提出了一种新型基于隧道电流检测的正交梁式陀螺仪结构，对陀螺的结构和工作原理进行了的分析，并系统分析了隧道陀螺的机械性能、结构阻尼、静电驱动力和机械耦合误差。通过理论计算和仿真分析提出了隧道式硅微机械陀螺的结构参数，最终得到具有较高灵敏度的隧道式硅微机械陀螺仪结构。本文结合加工单位的工艺特点，设计了切实可行的工艺流程，并进行版图设计，正在进行隧道陀螺仪的加工。最后，对隧