双级解耦微机械陀螺的结构设计及特性研究

摘要

本文由目前电容式微机械陀螺的工作原理出发，从力学模型的角度分析了未解耦式微机械陀螺和单级解耦式微机械陀螺工作中所存在的问题，以进一步减小结构的机械耦合误差、提高陀螺的灵敏度和保证一定的工作带宽为目标，设计了一种新型结构的双级解耦电容式微机械陀螺。 本文在初步建立起陀螺的三维实体模型后，用有限元软件分析了结构中各类关键弹性元件的刚度，验证了设计的合理性；考察了陀螺振子在自由状态下的应力和位移状况，分析了陀螺振子在极限位置状态下的应力情况，计算了陀螺振子在满足长期稳定工作条件下的抗疲劳性能，确定了陀螺的初始尺寸；通过分析振子结构中几处关键尺寸的变化对其自身动力学性能的影响，最终确定了陀螺振子的尺寸，使陀螺振子的驱动模态和检测模态精密的匹配起来，同时保证了一定的工作带宽；本文还通过对振子进行瞬态动力学分析，对新确立尺寸的陀螺振子进行了静力学校核，分析了简谐振动中振子的应力变化状态，研究了振子在正弦静电力激励下沿着不同振动方向的响应状况。 本文的研究对MEMS传感器的设计方法提供了一定的借鉴意义，对双级解耦微机械陀螺的结构研究提供了一种新的思路，为进一步研究微机械陀螺在多场耦合作用下的特性奠定了基础。

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致谢

第一章绪论

1.1微机电系统(MEMS)的发展概况

1.2微机械陀螺的技术分类及发展概况

1.3微机械陀螺的设计问题及技术难点

1.4本文的主要内容

第二章电容式微机械陀螺的工作原理和误差分析

2.1电容式微机械陀螺的工作原理

2.1.1科氏加速度原理及在陀螺中的应用

2.1.2非解耦式微机械陀螺原理

2.1.3单级解耦式微机械陀螺原理

2.2电容式微机械陀螺的误差分析

2.2.1机械耦合误差

2.2.2悬浮效应

2.3本章小结

第三章双级解耦微机械陀螺的结构设计

3.1双级解耦结构的力学模型

3.2双级解耦微机械陀螺结构的初步设计

3.2.1驱动部分的结构设计

3.2.2敏感部分的结构设计

3.2.3检测部分的结构设计

3.3微机械陀螺结构尺寸的设计思路

3.4本章小结

第四章双级解耦微机械陀螺的静力学分析

4.1微机械陀螺的模型前处理

4.1.1建立模型及定义材料常数

4.1.2有限元网格的划分

4.1.3边界约束条件的定义

4.2振子自由状态下的静力学分析

4.2.1自由状态下静力学分析的意义

4.2.2自由状态下载荷的施加

4.2.3静力计算结果

4.3振子在极限位移状态下的静力学分析

4.3.1极限位移状态下静力学分析的意义

4.3.2极限位移状态下载荷的施加

4.3.3静力计算结果

4.4微机械陀螺振子的疲劳分析

4.4.1疲劳的概念

4.4.2用ANSYS进行疲劳分析的方法

4.4.3微机械陀螺振子的疲劳分析过程

4.5本章小结

第五章双级解耦微机械陀螺的模态匹配

5.1双级解耦微机械陀螺模态匹配的原理

5.2微机械陀螺振子关键变量的定义

5.3陀螺振子模态匹配的设计过程

5.3.1检测弹性梁的参数设计

5.3.2敏感-检测折叠梁的参数设计

5.3.3驱动折叠梁的参数设计

5.4陀螺振子模态匹配的评价

5.5本章小结

第六章双级解耦微机械陀螺的瞬态动力学分析

6.1陀螺瞬态动力学分析概述

6.2陀螺瞬态动力学中的应力分析

6.2.1陀螺振子的总体应力变化分析

6.2.2振子结构的静力学校核

6.2.3折叠梁应力变化分析

6.3陀螺瞬态动力学中的谐波响应分析

6.3.1谐波响应分析的意义

6.3.2振子在正弦激励下的响应

6.3.3振子响应的速度及加速度分析

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1本文的主要工作小结

7.2进一步的研究工作展望

参考文献

硕士期间发表论文