抗冲击硅微机械陀螺仪结构设计技术研究

摘要

硅微机械陀螺仪是用于测量角速度的微型传感器，与传统的机电陀螺仪相比，除了具有体积小、重量轻等特点，还具有高可靠性以及良好的动态性能并且易于数字化的特点。由于这些优异的性能，硅微陀螺仪得到了迅速的发展并广泛应用于民用和军用领域。本文围绕抗冲击硅微机械陀螺仪结构设计展开研究，从理论出发，借助ANSYS有限元分析软件，设计一种具有较高抗冲击能力的陀螺仪结构。
　　论文的研究工作主要包括以下内容:
　　(1)介绍硅微陀螺仪的国内外发展现状、抗冲击性能研究现状，以及基本工作原理和动力学方程，对陀螺仪的驱动和检测方式进行分析。
　　(2)设计具有较高抗冲击能力的硅微陀螺仪结构。确定合适的结构形式，建立硅微陀螺仪敏感结构的冲击响应模型，详细研究硅微陀螺仪冲击响应与结构特征参数的关系以及硅微陀螺仪冲击响应与冲击载荷特征参数的关系。根据所得关系，选择合适的驱动检测方式，设计支撑梁结构、驱动方向枉杆耦合机构、检测方向耦合机构，进而完成结构的整体设计;设计柔性止挡机构，进一步提高陀螺仪的抗冲击能力。借助ANSYS软件进行模态仿真，确定结构参数得到合适的模态频率，并根据参数值进行理论计算。
　　(3)利用有限元仿真软件ANSYS对设计的结构进行仿真分析。主要从瞬态仿真、重力仿真、谐响应仿真以及封装热应力仿真等方面来对结构进行分析并验证结构设计的可行性。其中，瞬态仿真包括有无止挡机构的抗冲击能力仿真、加工误差对硅微陀螺仪冲击响应的影响分析;谐响应仿真包括驱动方向谐响应分析以及检测方向谐响应分析;封装热应力仿真包括封装过程中400℃高温下产生的结构热应力仿真以及从400℃高温降至20℃室温时结构内部残余热应力仿真。
　　(4)硅微陀螺仪采用DDSOG工艺加工，并对加工好的硅微陀螺仪裸表头进行测试，大气压下开环测试结果为:驱动频率12630Hz，检测频率12772Hz，驱动同相频率为12920Hz，检测同相频率为13019Hz。测试结果与设计值基本一致;结构驱动方向上的同相振动模态的固有频率比反相振动模态的固有频率高290Hz，符合驱动方向上杠杆耦合机构的设计初衷;结构检测方向上的同相振动模态的固有频率比反相振动模态的固有频率高247Hz，符合检测方向耦合机构的设计初衷。最后对硅微陀螺仪进行陶瓷封装，并详细地介绍封装流程。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．1 硅微机械陀螺仪的分类和性能指标

1．1．2 硅微机械陀螺仪的特点

1．2 硅微陀螺仪国内外研究现状

1．2．1 硅微陀螺仪国外研究现状

1．2．2 硅微陀螺仪国内研究现状

1．3 硅微陀螺仪抗冲击性能研究现状

1．4 本文研究的目的和意义

1．5 本文的研究内容

2．1 引言

2．2 哥氏效应

2．3 硅微陀螺仪动力学分析

2．4 硅微陀螺仪驱动与检测方式

2．4．1 静电驱动

2．4．2 静电驱动原理

2．4．3 电容检测

2．5 本章小结

第三章 抗冲击硅微机械陀螺仪结构设计

3．2．1 硅微陀螺仪敏感结构的冲击响应模型研究

3．2．2 冲击载荷

3．2．3 冲击响应

3．2．4 仿真验证

3．2．5 冲击响应与冲击载荷特征参数、陀螺仪结构特征参数之间的关系

3．3 结构设计

3．3．1 整体结构及特点

3．3．2 驱动方式和检测方式的设计

3．3．3 支撑梁的设计

3．3．4 特殊机械耦合机构的设计

3．3．5 止挡机构设计

3．3．6 结构相关参数的确定及在此参数下的相关计算

3．4 本章小结

第四章 硅微机械陀螺仪结构仿真

4．1 陀螺仪抗冲击能力仿真

4．1．1 硅微陀螺仪结构在无止挡机构时的抗冲击能力仿真研究

4．1．2 硅微陀螺仪结构在有止挡机构时的抗冲击能力仿真研究

4．2 加工误差对硅微陀螺仪冲击响应的影响

4．3 重力仿真

4．4 谐响应分析

4．5 封装热应力仿真

4．6 本章小结

第五章 结构的加工与测试

5．1 加工工艺简介

5．2 裸片测试

5．2．1 实验设备

5．2．2 驱动频率测试

5．2．3 检测频率测试

5．3 硅微陀螺仪的封装

5．4 本章小结

6．1 全文工作总结

6．2 对未来工作的展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文