本文關鍵詞：新型對稱全解耦的雙質量硅微陀螺儀結構設計與優(yōu)化

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【摘要】：得益于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的巨大成功,硅微陀螺儀在消費類電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空／國防等領域中取得了廣泛應用。硅微陀螺儀的主要優(yōu)點在于微型化、低成本、適于大批量生產(chǎn),并且在穩(wěn)定性和高性能上展現(xiàn)出美好前景。由于研究的不斷深入,硅微陀螺儀的性能在過去幾十年中獲得極大的提升。然而,由于容易受到加工工藝變化和外界環(huán)境波動的影響,硅微陀螺儀仍然不能滿足諸如導航之類的高性能應用場合。本文以提高硅微陀螺儀的性能為目的,在深入研究硅微陀螺儀的工作機理和設計原則的基礎上,選擇雙質量和全解耦的結構形式,設計一種全新的硅微陀螺儀,并進行結構仿真和結構優(yōu)化,同時分析加工工藝和環(huán)境干擾對硅微陀螺儀性能影響。本文主要研究以下幾方面的內容：(1)硅微陀螺儀的工作機理和振動特性研究首先對硅微陀螺儀的工作原理進行了深入研究,分析了硅微陀螺儀的基本結構和哥氏效應,并建立了硅微陀螺儀的動力學模型,分析了傳統(tǒng)單質量陀螺儀質量-彈簧-阻尼的二階系統(tǒng)的振動特性、驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的振動特性,在此基礎上,進一步分析了雙質量硅微陀螺儀的振動模態(tài)和振型。此外,本文還分析了硅微陀螺儀的靜電驅動和電容檢測機理,以及硅微陀螺儀的阻尼特性。(2)對稱全解耦的雙質量硅微陀螺儀結構方案設計和仿真優(yōu)化在分析比較硅微陀螺儀主要結構類型的基礎上,選擇合適的結構形式完成對稱全解耦的雙質量硅微陀螺儀的整體設計,主要包括支承機構設計、驅動與檢測機構設計、全解耦設計、對稱雙質量設計等,最終分析了所設計的硅微陀螺儀整體結構的特點。之后利用有限元仿真軟件分別進行了模態(tài)仿真、軸向加速度敏感性仿真、熱應力仿真、諧響應仿真和瞬態(tài)沖擊仿真,驗證了設計方案的合理性,并不斷優(yōu)化硅微陀螺儀的機構形式和具體尺寸,使得陀螺儀的性能達到最佳狀態(tài)。(3)硅微陀螺儀的誤差分析分析了所設計的硅微陀螺儀的主要誤差來源和表現(xiàn)形式,并闡釋了這些誤差對硅微陀螺儀性能的影響,針對各誤差,給出結構設計中的注意細則和優(yōu)化方案。首先進行了結構誤差分析,主要包括加工誤差導致的剛度耦合誤差、阻尼耦合誤差、梁寬誤差和傾角誤差加工誤差導致的固有頻率變化、左右質量和剛度不等對振動幅度的影響；然后分析了硅微陀螺儀驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的機電接口模型,并研究了雜散電容對輸出的影響。最后討論了溫度變化對硅微陀螺儀性能的影響,主要包括固有頻率、品質因數(shù)、穩(wěn)定時間、驅動幅度、機械靈敏度、電容變化靈敏度等參數(shù)受溫度變化的影響。(4)硅微陀螺儀的制作和實驗介紹了硅微陀螺儀的DDSOG加工工藝,并給出硅微陀螺儀的封裝步驟。然后對加工出來的對稱全解耦的雙質量硅微陀螺儀進行了性能測試,主要包括驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的振動特性測試、標度因數(shù)測試、零偏測試和溫度特性測試。從初步測試結果來看,本文所設計的新型對稱全解耦的雙質量硅微陀螺儀在性能上達到了較高水平。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN96

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