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基于非谐振原理的硅微机械陀螺仪的结构设计研究

何晓磊  
【摘要】: 硅微机械陀螺仪具有体积小、质量轻、成本低等特点,因而具有广泛的应用前景。在硅微机械陀螺仪的研究中,陀螺仪灵敏度和分辨率的提高始终是人们追求的主要目标。本论文针对一种新型的基于非谐振原理的硅微机械陀螺仪进行研究,主要研究内容包括以下几个方面: 1)介绍了传统硅微机械陀螺仪的基本工作原理,并对陀螺仪中的空气阻尼问题进行了分析,最后指出了传统硅微机械陀螺仪存在的问题:①频率的跳动对陀螺仪的性能影响较大。当驱动模态频率和检测模态频率之间有10%的误差时,陀螺仪的灵敏度下降为原来的5.3%。因此要提高陀螺仪的灵敏度就需要驱动和检测模态的固有频率尽量匹配;②Q值对陀螺仪性能的影响。Q值越高,陀螺仪的灵敏度越高,但是当驱动模态频率和检测模态频率之间产生偏差时,Q值越高,灵敏度越低;两者之间存在矛盾,因此在设计时必须通过分析取其最优值;③驱动模态和检测模态之间的耦合。传统微机械陀螺仪由于采用单一的质量块进行驱动和检测,其间必然存在驱动模态和检测模态之间的耦合,这对陀螺仪的性能也具有重要的影响。  2)提出了一种适应国内加工条件的基于非谐振原理的硅微机械陀螺仪,介绍了其工作原理,并建立了力学模型和动力学方程。推导了驱动模态和检测模态的频率理论计算公式以及结构中的阻尼公式,接着从加工尺寸、压力变化、温度变化三个方面对结构进行了参数灵敏度分析,并与传统硅微机械陀螺仪进行了比较。讨论了动力学方程中的误差项,并且介绍了陀螺仪的具体结构参数计算公式,对整体陀螺仪结构进行了参数匹配设计,最后运用ANSYS对陀螺仪进行模态分析和谐响应分析,验证了理论计算的正确性。   3)介绍了体硅薄片融解工艺和DDSOG工艺,比较了这两种工艺的优缺点。介绍了残余应力的产生机理和理论分析公式,并从残余应力和灵敏度等方面分析了工艺的不同对结构性能的影响,最后对两种工艺加工的陀螺仪进行了测试,实验结果表明,采用DDSOG工艺加工后的结构性能比以前提高了近10倍。  4)对基于非谐振检测原理的硅微机械陀螺仪样品进行了测试,测试结果为:本文设计的陀螺仪在大气压下工作时,驱动模态谐振频率和Q值分别为2105Hz和94,标度因数为14.8mV/°/s,零偏稳定性为0.35°/s。从测试结果可以看出,驱动模态和检测模态的频率与仿真结果有些偏差,主要原因是由于加工误差带来的结构尺寸的偏差导致,设计时因针对现有的加工水平适当调整设计尺寸,减小加工误差。


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