硅微型机械振动陀螺仪结构设计技术研究

摘要

硅微型机械振动陀螺仪是用于角速率检测的一类新型传感器。由于目前市场对低成本、高可靠性以及微型化的角速率传感器需求，因此硅微型机械陀螺仪已成为MEMS器件中一个倍受关注的领域和研发热点。并且预测在今后的几年内，硅微型机械振动陀螺仪也将会作为又一种成熟的硅微惯性敏感器件，广泛应用于诸多领域。本文针对硅微型机械振动陀螺仪的结构设计进行一些较深入地研究与分析。 1.硅微型机械振动陀螺仪的动力学分析。介绍了不同尺寸微结构所遵循的力学规律，还介绍了振动轮式陀螺仪和双线振动陀螺仪的结构与工作机理，建立了这两种结构的动力学方程式。根据动力学方程式，详细分析了驱动模态和检测模态的运动规律。指出驱动模态和检测模态的运动规律都是衰减运动和简谐振动的复合运动；对于某一给定结构，在不同的阻尼系数下，衰减运动的时间是不同的。同时还得出了驱动力、驱动模态振动信号以及检测模态振动信号之间的相位关系，为驱动电路与检测电路的设计奠定基础。并且还指出陀螺仪的机械品质因数与衰减运动时间是相互存在矛盾的。 2.微结构的阻尼。在不同的环境压力下，作用在微结构上的阻尼机制不同。在第一压力区域，作用在微结构上的阻尼包括摩擦阻尼和材料阻尼。并且指出摩擦力不仅与产生粘着力的接触面积以及外加载荷有关，而且还与固体表面的形貌有关。而材料阻尼主要是由硅材料的原生缺陷和加工中诱生的缺陷产生能耗的结果。在第二个区域中，阻尼主要是由气体分子与振动结构的碰撞而产生。而第三个区域的阻尼主要是由气体分子之间的相互碰撞而产生的。根据第二压力区域与第三压力区域阻尼产生的机制，并利用流体力学、非平衡热力学和统计物理学，分别讨论了平板型结构和弧线型结构的剪切阻尼以及挤压阻尼。 3.硅微机械振动陀螺仪的驱动机理。分析了线振动型电容驱动方式和轮式振动型电容驱动方式的工作机理。首先建立了线振动驱动方式的静电场有限元模型。在此基础上采用Maxwell法对静电驱动力与梳齿的长度、交错部分长度、梳齿宽度、梳齿间距以及梳齿的厚度之间的关系进行了研究。并得出以下结论：i)在接近水平线的工作区域，静电驱动力与交错部分的长度无关。且随着梳齿长度的增加，静电驱动力的非线性度增加：ii)指出在一定结构尺寸下，通常选择齿宽尽可能小，以增加齿数来增大静电驱动力；iii)随着梳齿间距的减小，工作区域的静电驱动力的稳定性越好；iv)随着厚度的增加，仿真值与理论值越接近。其次建立了轮式振动驱动方式的静电场有限元模型，采用Maxwell法对静电驱动力矩与梳齿的半径以及梳齿的转角之间的关系进行了研究。并得出以下结论：i)静电驱动力矩的大小与梳齿半径的变化近似为线性关系；ii)静电驱动力矩在0.6～2.1度之间能够保持较好似的稳定性，且与转角大小无关。 4.硅微型机械振动陀螺仪的结构设计与分析。针对硅微型机械振动式陀螺仪的结构设计进行了较全面的分析。首先，推导了几种支撑梁结构形式的弹性系数计算公式。并且指出合理设计支撑梁的弹性系数，可以保证所需要的驱动模态和检测模态，抑制其它的振动模态。其次，分析了谐振频率与机械灵敏度、稳定时间以及带宽之间的关系。指出驱动模态和检测模态的谐振频率之间的轻度不匹配可以提高带宽而减小机械灵敏度的损失。第三，分析了对驱动模态和检测模态的阻尼系数。并采用有限元方法对阻尼孔的开设与检测电容量之间的关系进行了仿真。指出在相同面积比下，阻尼孔的增加，可以减少电容的损失量。最后，讨论了加工工艺对结构设计的影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章硅微型机械振动陀螺仪的动力学分析

第三章微结构的阻尼

第四章硅微型机械振动陀螺仪的驱动机理

第五章硅微型机械振动陀螺仪的结构设计与分析

第六章仿真与实验

第七章总结与展望

致谢

攻读博士学位期间发表论文及获奖情况

参考文献