硅微惯性敏感器设计分析与数值模拟研究

摘要

硅微惯性敏感器作为一类新兴的微型机电系统(MEMS)，具有广泛的军事应用背景和巨大的商业价值。硅微惯性敏感器的制作多数采用与集成电路相兼容的半导体加工工艺，制造工艺尚不成熟，设计理论也不完善，目前仍处于探索阶段。计算机辅助工程(CAE)是目前发达国家在进行高层次产品设计中普遍采用的先进工程分析计算方法。借助先进的计算机软、硬件，和数值仿真算法程序，可为设计者提供直接的“虚拟样机”模型和计算机实验数据。在设计阶段模拟产品的实时工作状况，及时发现产品潜在的设计缺陷，进行优化设计，并能在设计阶段较准确的检验产品的各项性能指标，显著减少设计与制造成本。本文尝试应用CAE技术，采用有限元方法，进行硅微惯性敏感器设计分析和数值模拟研究 1.硅微惯性敏感器结构有限元模型的建立。针对硅微惯性敏感器的结构特点，采用三维实体单元，建立了Ⅰ型、Ⅱ型单自由度振动轮式陀螺仪，两自由度振动轮式陀螺仪和硅微折叠梁式加速度计的结构有限元模型：采用平板薄壳单元建立了硅微扭摆式加速度计的有限元模型。 2.硅微惯性敏感器的模态分析和刚度设计。通过模态分析和优化结构，确定了符合模态振型和频率要求的Ⅰ型、Ⅱ型单自由度陀螺仪和两自由度振动轮式陀螺仪的结构尺寸和刚度。硅微扭摆式加速度计的模态分析结果表明，其工作频率较低，使用范围受到限制：而折叠梁式加速度计的工作频率大大提高，通频带较宽。提出了用于评价隔离式振动轮式陀螺仪模态耦合程度的解耦系数。针对振动轮式陀螺仪支承梁部分刚度设计的难点，提出采用经验公式来进行计算。通过大量仿真，得到了在典型的长度，宽度和厚度条件下支承梁的刚度计算经验公式的修正系数。研究了修正系数与结构各尺寸参数的变化规律，大大提高了设计效率。 3.硅微惯性敏感器动响应分析。系统对Ⅰ、Ⅱ型陀螺仪，两自由度陀螺仪和两种硅微加速度计进行了的动响应研究。分析比较了在不同冲击加速度下的结构动响应，确定了各型陀螺仪，加速度计的最大耐冲击能力。研究了振动轮式陀螺仪谐振频率和灵敏度的关系。计算结果表明驱动模态频率和敏感模态频率微小的频率差将大大降低陀螺仪的灵敏度。通过调节驱动频率可较大幅度提高振动轮式陀螺仪的灵敏度。该方法简单可行，但提高灵敏度的效果是有限的。论文指出解决此问题的根本方法是实现两个 频率的动态匹配。在有限元模型上模拟并验证了采用直流偏置电压调整法可调节敏感模态的谐振频率，使之与驱动模态谐振频率动态匹配，从而使陀螺仪灵敏度达到理想的最人值。定最计算了型陀螺仪谐振频率和灵敏度与直流偏置电压的关系，确定了达到完全振所需加载的直流电压值。研究了振动轮式陀螺仪的线性特征，构造了有限元求解的迭代算法，定量计算表明振动轮式陀螺仪随输入角速度变化而产生严重的非线性输出。提出采用自动增益控制(AGC)方法控制驱动幅值以消除非线性影响。 4.硅微惯性敏感器静电场问题分析。立了硅微振动轮陀螺仪叉齿驱动的静电场有限元模型，得到了型陀螺仪梳状驱动器的静电驱动力矩的数值解。数值计算结果发现在一定范围内电场贮能与角位移成线性关系，静电驱动力的大小与角位移无关；当动齿和静齿电极端部很接近时，静电吸力剧幅增加，呈现明显的非线性特征．指出对于I型陀螺仪的叉齿，周向位移的允许值δ<,peam>．为最大周向间隙δ<,max>的2/3。同时进一步讨论了数值解的精度问题，证明了基于电场贮能的算法精度最高。研究并定量计算了阻尼孔对电容信号器的影响，发现开设适当的阻尼孔对信号器电容量的影响是有限的。只要工艺允许，在相同面积比下，孔的密度越大，电容损失越小，因此提出采用骨架型结构．研究分析了静电驱动的“悬浮”效应，提出了计算振动轮式谐振器静电悬浮力的近似计算公式，定量计算了型陀螺仪梳状驱动器的总静电悬浮力。由此指出梳齿驱动电极布置的对称性特别是相对于输出轴的对称性十分重要。当梳状电极用于闭环检测时．必须考虑悬浮效应，不能随意布置。 5.温度对硅微惯性敏感器性能的影响研究。分析了温度变化引起的硅材料主要特性的变化。采用间接耦合法，在0 ℃100 ℃范围内定量计算了I型陀螺仪的驱动模态和敏感模态的固有频率，以及驱动角振幅的变化。分析计算了在硅-硅键合和硅-玻璃键合两种情况下的热应力。采用应力释放槽可明显减小和改善热应力的分布。定量分析计算了I型陀螺仪在不同偏心，不同位置，以及不同线膨胀系数下的稳态输出误差。以Raleigh阻尼模型为基础，研究了单纯考虑结构阻尼时温度对品质因数的影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章硅微惯性敏感器结构有限元模型的建立

第三章硅微惯性敏感器的模态分析与刚度设计

第四章硅微惯性敏感器的动力学响应研究

第五章硅微惯性敏感器的静电场问题分析与研究

第六章温度场对硅微惯性敏感器的影响

第七章结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢