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全解耦式微机械陀螺仪的研究与设计

王志飞  
【摘要】:微机械陀螺仪是应用微机电系统(MEMS)技术研发出来的一类典型微惯性传感器。它在军事装备、工业自动化和娱乐设备等领域具有广阔的应用前景,因此受到了越来越多的关注。 通过对当前微机械陀螺的研究和分析,本文提出了一种基于体硅工艺的新型全解耦音叉式微机械陀螺结构。该结构的陀螺仪能够在大气环境中工作,为实现驱动和检测模态的完全解耦,在一定的带宽下保持较高的检测灵敏度,采用了新型敏感检测梁和对称的音叉式结构。通过对比选取了能量密度高、驱动力大的电磁驱动方式,综合考虑检测质量的振幅、阻尼系数、电容灵敏度等各方面因素选择了变梳齿重叠长度的电容检测方式。对微机械陀螺仪的有限元模型进行静力学分析,考察结构自然状态下的垂直位移、抗过载性和解耦合性。 根据实体结构建立了简化动力学模型,讨论了驱动频率、检测频率、质量因子Q和驱动力与陀螺灵敏度和工作带宽的关系。利用结构动力学的有限元分析理论分析了弹性梁尺寸参数对模态的影响规律,为此类传感器的设计提供理论基础。选取可实现模态匹配的一组尺寸数据进行模态和谐响应分析,依据有、无阻尼下两运动模式的幅频特性曲线来考察空气阻尼对微机械陀螺性能的影响,预测其持续的动力学特性。然后以检测质量块振动的稳态响应为基础,对不同频率差值下电容灵敏度的变化趋势进行了研究,并通过对比的方式分析了微机械陀螺的整体性能。 本论文的研究对全解耦式微机械陀螺的研究和设计具有一定的理论意义和实用价值,其研究方法和思路对其它结构形式的微机械陀螺同样具有参考价值。


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