微机械陀螺的仿真与优化

微机械陀螺依靠振动模态频率来测量旋转角速度,通常微机械结构的振动模态相当复杂。虽然已有很多文章研究了如何调节驱动模态和敏感模态以获得最大的敏感度,却很少有人分析微机械陀螺的振动模态。振动模态与陀螺结构的设计参数有极大的关系,这些参数包括陀螺检测质量的尺寸、支撑系统的类型和尺寸,以及用以制造陀螺主体的多晶硅的残余应力。研究了一个静电驱动、电容检测、敏感垂直轴角速度的陀螺(也称平面陀螺)。同时,用有限元法分析法对微机械陀螺的结构进行了分析。     

压电型微固体模态陀螺的模态及谐振分析

压电型微固体模态陀螺利用压电体的特殊振动模态来工作,它是一种不同于微振动陀螺的全固态微陀螺.在压电型微固体模态陀螺中不存在整体运动的部件和弹性支撑结构,因此抗冲击、抗震动能力强.同时,它对真空封装没有特殊的要求,因此稳定性好,长期工作可靠性高.文中详细介绍了压电型微固体模态陀螺的工作机理,建立了该种新型微陀螺的结构模型,并对压电块的振动模态和自激谐振进行了有限元分析,获得了满足要求的工作振动模态.通过谐振分析,进一步验证了提出的结构模型的有效性.本文为压电型微固体模态陀螺的制作提供了理论依据.     

一种Z轴微机械陀螺的自解耦方法研究

在分析了微机械陀螺机械耦合误差产生原因的基础上,提出了一种解耦梁方案,可以从结构上消除振动式微机械陀螺敏感模态对驱动模态的耦合影响;基于该解耦梁方案设计了一种新型的Z轴微机械陀螺结构.分析表明,该陀螺结构消除了敏感模态对驱动模态的耦合影响,实现了解耦设计的目的.     

微机械陀螺的刻蚀误差特性分析

微陀螺仪结构上的腐蚀凹槽或腐蚀腔可以由深层反应离子刻蚀技术得到,加工过程中存在的刻蚀误差对微陀螺的固有频率、输出精度和稳定性有重要的影响.采用有限元分析软件ANSYS建立了一种梳状微机械陀螺的有限元分析模型,采用解析的方法并通过Matlab数学软件进行仿真,研究了由于加工误差导致微梁过度刻蚀对微陀螺驱动模态、检测模态、固有频率、带宽、灵敏度的影响.结果表明,微梁刚度和微陀螺固有频率随着刻蚀角度的增大而增大;最大过度刻蚀角度为±2度时,其驱动模态和检测模态的固有频率的变化率均超过了14%;刻蚀误差会导致微陀螺工作模态降阶,以及干扰模态介于与驱动和检测模态之间且与驱动模态频率相近,这会严重影响微陀螺的输出精度;带宽随过度刻蚀夹角增大而减小,灵敏度随过度刻蚀夹角的变化而发生不规律变化;当刻蚀角度介于0°~1.5°时,微陀螺的灵敏度将高于无刻蚀误差时微陀螺的灵敏度.     

静电梳齿微谐振器结构参数化设计

从理论上分析静电梳齿微谐振器的机械力学特性,给出了活动梳齿的横向谐振频率解析解。鉴于目前静电微谐振器模拟仿真中存在的问题,提出利用基于MAST语言实现的MEMS宏模块建立微谐振器系统级通用仿真模型,为验证外围电路提供了基础。仿真结果与理论模态分析相一致,验证了模型的有效性。通过谐振频率对结构参数的敏感性分析为优化谐振器性能提供基础,使工作模态远离其他高阶模态;合理安排激励电极,抑制一阶模态扰动。敏感性仿真表明:在横向振动微谐振器中,工作模态谐振频率随梁长的增加而减小;随梁宽的增加而增大;结构层厚度对横向振动频率没有影响;梳齿部分所有参数的变化造成频率的反向变化。     

振动式微机械陀螺的带宽特性分析

对振动式微机械陀螺的带宽特性进行了讨论,以设计的一种带解耦结构的振动式微机械陀螺为模型,利用数学工具软件MATLAB对其进行了带宽特性分析.分析结果表明,对于2自由度的陀螺,驱动频率的带宽不仅与驱动模态和检测模态的频率匹配有关,而且与两个模态的阻尼匹配有关.随着驱动模态和检测模态频率匹配的降低,带宽先增加然后基本保持不变.随着驱动和检测模态阻尼匹配的降低,带宽一直减小.通过实现驱动模态与检测模态的频率匹配和阻尼匹配可以获得最大机械灵敏度和最大驱动频率带宽.     

三轴微机械陀螺仪的结构设计与仿真

提出了一种适应国内加工条件的三轴微陀螺仪,依据三轴陀螺的结构和工作原理,利用ANSYS有限元仿真软件对三轴陀螺的设计进行了计算和仿真.在此基础上,通过调节结构参数实现各轴驱动模态与敏感模态固有频率的匹配以提高各轴的灵敏度.最后介绍了加工所采用的工艺.     

基于近似模型的y轴微机械陀螺系统级优化

提出一种基于近似模型的MEMS系统级优化方法,给出具体实现流程,并结合一个y轴微机械陀螺进行优化。该方法解决了如何得到近似优化目标函数表达式的关键问题。所得的y轴微机械陀螺优化参数,使得陀螺驱动模态谐振频率fx和检测模态谐振频率fz分别为3 074 Hz和2 998 Hz,两者之间相差7 6 Hz,较好的实现了模态匹配,且都在3 000 Hz的设计要求附近,约束条件也得到了满足。该优化方法为在MEMS设计中快速获得系统级优化方案提供较好参考。     

驱动微梁形状对微陀螺仪耦合误差的影响分析

为研究微陀螺驱动微梁在加工误差下的微梁形状变化对正交耦合误差、模态耦合以及检测信号的影响,建立了驱动微梁在对角线梁宽误差下的有限元分析模型,采用有限元仿真分析和解析计算相结合的方法研究了U型梁一端梁长的变化对微陀螺正交耦合误差、模态耦合以及检测信号的影响.研究发现,当U型梁一端的梁长为另一端长度的二分之一左右时该类加工误差会引发非常严重的正交耦合误差和模态耦合现象,并对检测信号产生极大影响;当U型梁退化为直梁或者为等长梁的时候,对检测信号的干扰很小、正交耦合误差为零、模态耦合程度最小,而且两者的变化规律呈现正相关.适当地加大单自由度微陀螺驱动模态和检测模态的频率差不仅可增加微陀螺的带宽还可减小耦合的影响.     

陀螺稳定平台的有限元模态分析

陀螺稳定平台是制导武器的核心部件之一,平台结构性能好坏直接影响制导武器的工作精度和可靠性.应用有限元模态分析理论,对该平台的结构动态特性进行研究,目的是为对平台进行结构动力学修改和结构优化设计提供依据,以便提高平台的工作精度和可靠性.运用uG建立某陀螺稳定平台的三维实体模型,进行合理简化后,建立该平台的有限元模型.采用有限元数值计算方法,计算得到该平台前七阶模态的频率及振型,各阶模态的频率均满足要求.并提出了改善该平台结构动态性能的措施.     

正交梁式隧道效应微机械陀螺仪的设计与仿真

针对传统的角速率陀螺仪存在的缺点与不足,根据电子隧道效应的特点,设计了一种新型基于隧道效应的微机械陀螺仪,运用计算机辅助软件ANSYS对其进行了建模和仿真.把电子隧道原理应用到微机械振动陀螺中对振动位移进行检测,结构简单,功耗低,抗干扰能力强,可靠性好,线性度高,具有很高的灵敏度,尤其在提高微机械振动陀螺的测量精度和灵敏度的方面显示其优势.     

基于共振隧穿二极管的微机械陀螺设计

介绍了一种基于介观压阻效应的新型电磁式微机械陀螺,并对陀螺进行了结构设计。该结构采用电磁驱动方式,实现了工作电压小、驱动力大、行程大的要求;采用共振隧穿二极管(RTD)所具有的介观压阻效应检测方式,本质上提高了陀螺的灵敏度。用ANSYS软件对结构进行了模态分析和路径分析,确定了结构的固有频率和RTD放置位置。结合目前工艺要求,对该陀螺进行了工艺设计并实现了结构加工。     

压电微固体模态陀螺的安装技术

压电微固体模态陀螺（ PMMG）利用压电PZT长方体的某高阶共振模态作为参考振动,是一种抗冲击、抗震动能力强的新型全固态陀螺。获得优化的参考振动振型对提高陀螺性能至关重要,但是大多数文献都没有涉及到封装对参考振动的影响。利用有限元方法（ FEM）分析了压电振子安装时支撑点位置与接触面积对参考振动的影响,分析结果表明：相对于接触面积的变化,支撑点位置的变化对陀螺参考模态的影响更大。该研究结果为压电微固体模态陀螺的安装方法提供了理论基础。     

磁悬浮转子微陀螺及其悬浮力与稳定性的分析

磁悬浮转子微陀螺是一种集经典陀螺的工作原理与易实现微加工批量生产的特点于一体,可望得到高准确度的微陀螺。它是基于电磁场原理得以悬浮、旋转以及稳定;以ANSYS5.6有限元分析软件包为工具分析了悬浮线圈中的电流幅值和线圈宽度对悬浮力的影响规律;分析了磁悬浮转子微陀螺的运行稳定性,验证了稳定线圈能使微转子稳定运行,从而磁悬浮转子微陀螺的设计得以论证。进行的数值计算为优化微陀螺的结构设计提供依据。     

Simulation of a novel lateral axis micromachined gyroscope in the presence of fabrication imperfections

This paper proposes a method to simulate a lateral axis micromachined gyroscope in the presence of two kinds of fabrication imperfections using finite element simulation. Non-ideal performances caused by lateral over-etching are simulated by modal analysis. Beam width variations are simulated by harmonic analysis. Simulation and discussion of the asymmetric motion caused by beam width variations show the advantage of our design with doubly decoupled structure and special arrangement of sensing capacitors.     

压电型微固体模态陀螺的相位差检测

压电型微固体模态陀螺是一种利用压电材料制作的新型固态微陀螺,具有高抗冲击、抗震动能力.陀螺主要部分为一压电质量块,研究发现其存在某阶特殊的振动模态作为原振动,通过感应哥氏力将敏感方向上输入的角速度转化为电信号.陀螺上设置有多个电极,各电极在工作状态下输出压电电压信号,通过检测电路测量信号间的相位差分析陀螺状态.TL714高速比较器将正弦信号转换为方波信号,通过TMS320F2812芯片采集数据进行处理,实现了对两路频率范围100 kHz~600 kHz信号的相位差检测.实验结果验证了该检测方法的有效性.     

磁悬浮转子微陀螺旋转驱动电路设计

介绍了基于MEMS技术的磁悬浮转子微陀螺的基本原理,重点对旋转的原理进行讨论,给出相应实现方案的指标分析和系统设计,并进行了实验.经过驱动后,微陀螺可以得到3 000 r/min的旋转效果,并对旋转的转速和力矩进行了分析.     

Transition interface for improving the temperature characteristics of micromachined gyroscopes

This paper reports a method for improving the temperature performance of micromachined gyroscopes by using a transition interface between the sensitive structure and the vacuumed package. We analyzed the effect of transition interface on the thermal stress of the micromachined gyroscopes. The temperature dependence of the static capacitance, resonant frequency and zero output were experimentally studied over the range ?40 to 60 °C. A micromachined gyroscope suspended by a slanted beam was adopted in the experiment. In order to identify how the factors affect the temperature performance of the micromachined gyroscope, two types of the introduced gyroscopes were characterized. One was the original gyroscope having no transition interface, and the other was using 2 mm silicon as the transition interface. In contrast to the original gyroscope having no transition interface, the static capacitance and resonant frequency of the gyroscope adopting transition interface had a smaller temperature coefficient, especially for the static capacitance which has more than an order of magnitude improvement. As a result, the bias instability of the gyroscope improved to a higher level over temperature variations. It would provide a convenient and practical method for improving the temperature performance of micromachined gyroscopes.