本文關(guān)鍵詞：硅微機(jī)械陀螺敏感結(jié)構(gòu)的理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《南京理工大學(xué)》 2015年

硅微機(jī)械陀螺敏感結(jié)構(gòu)的理論研究

姜劭棟  

【摘要】：硅微機(jī)械陀螺是一種利用哥氏效應(yīng)敏感物體轉(zhuǎn)動(dòng)角速率的MEMS慣性傳感器。它能夠在同一塊硅片上集成敏感結(jié)構(gòu)和外圍測控電路,具有成本低、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn),在軍事、民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。自上世紀(jì)90年代以來一直處于快速發(fā)展中,是各國研究熱點(diǎn)之一。敏感結(jié)構(gòu)是硅微機(jī)械陀螺的核心部件,其與陀螺的標(biāo)度因數(shù)、零偏以及抗振動(dòng)等性能直接相關(guān)。本文以課題組自主設(shè)計(jì)的雙質(zhì)量線振動(dòng)硅微機(jī)械陀螺為研究對(duì)象,對(duì)其敏感結(jié)構(gòu)的剛度矩陣、多模態(tài)固有頻率、正交誤差以及阻尼特性展開理論分析,為高性能硅微機(jī)械陀螺的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供實(shí)際指導(dǎo)和理論依據(jù)。本文首先對(duì)硅微機(jī)械陀螺的信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制以及敏感結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了研究。構(gòu)建了陀螺輸出信號(hào)與敏感結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參量的關(guān)系,說明敏感結(jié)構(gòu)理論研究的重要性。介紹了敏感結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)及其低階模態(tài),分析了干擾模態(tài)對(duì)陀螺性能的影響機(jī)理。利用彈性理論建立驅(qū)動(dòng)梁的剛度公式,并對(duì)剛度公式進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,建立了敏感結(jié)構(gòu)的剛度矩陣。闡述了敏感結(jié)構(gòu)的能量耗散機(jī)理,介紹了敏感結(jié)構(gòu)的真空封裝方法,給出品質(zhì)因數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其次,對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的多模態(tài)固有頻率進(jìn)行了理論研究。將敏感結(jié)構(gòu)看作多模態(tài)系統(tǒng),分別構(gòu)建其低階模態(tài)的等效模型。利用能量法對(duì)低階模態(tài)的模態(tài)剛度進(jìn)行理論分析,建立了敏感結(jié)構(gòu)多模態(tài)固有頻率的理論模型。利用有限元法對(duì)敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析,并且對(duì)敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)識(shí)別實(shí)驗(yàn)。理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大誤差分別為8.63%和10.56%。給出了敏感結(jié)構(gòu)的模態(tài)設(shè)計(jì)原則,并利用已建立的理論模型對(duì)敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)定階。第三,對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的正交誤差進(jìn)行了理論研究。構(gòu)建了有加工誤差時(shí)敏感結(jié)構(gòu)的剛度矩陣。在此基礎(chǔ)上,建立了硅微機(jī)械陀螺正交誤差理論模型。理論計(jì)算了直接耦合系數(shù)的取值范圍為4.74×10-5-2.33x10-4, 二次耦合系數(shù)的取值范圍為8.44×10-7～2.03×10-5。計(jì)算了正交耦合系數(shù)最大值為9.35×10-4,并通過仿真分析對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合理論模型,提出基于驅(qū)動(dòng)梁合理設(shè)計(jì)的正交誤差抑制方法。對(duì)正交誤差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,得到正交耦合系數(shù)的取值范圍為1.08×10-4～4.13×10-4。第四,對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的阻尼特性進(jìn)行了理論研究。建立驅(qū)動(dòng)梁的熱彈性耦合方程并對(duì)其求解,得到熱彈性阻尼的復(fù)頻率模型,理論計(jì)算得到熱彈性阻尼的大小為9.19×10-6。利用熱能量方法對(duì)熱彈性阻尼進(jìn)行仿真分析,理論結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差為1.88%。結(jié)合陀螺性能指標(biāo)提出品質(zhì)因數(shù)的設(shè)計(jì)要求,分析得到驅(qū)動(dòng)梁梁寬和驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率的設(shè)計(jì)導(dǎo)向圖。構(gòu)建了熱彈性阻尼的溫度特性理論模型,計(jì)算得到常溫下熱彈性阻尼的溫度系數(shù)為9.76×10-3/oC。對(duì)熱彈性阻尼的溫度系數(shù)進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析,理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差分別為2.01%和7.50%。最后,對(duì)優(yōu)化后敏感結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參量進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析,驗(yàn)證了敏感結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性和合理性。依據(jù)IEEE的陀螺測試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硅微機(jī)械陀螺整表進(jìn)行了性能測試,得到陀螺的標(biāo)度因數(shù)為8193.77LSB/°/s,零偏穩(wěn)定性為4.54°/h,零偏重復(fù)性為6.14°/h。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP212
【目錄】：

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