全对称双级解耦微机械振动式陀螺研究

论文摘要

本文在建立全对称双级解耦微机械振动式陀螺理论模型的基础上,系统研究了器件的动力学特性。提出一种新颖的全对称双级解耦微机械振动式陀螺仪结构,利用体硅微机械加工技术实现了敏感结构芯片的制备,并进行了相应实验研究和特性测试工作。首先,工作带宽是微机械陀螺应用的一个重要指标,现有理论认为带宽和灵敏度是一对矛盾,将带宽简单定义为驱动频率与检测模态谐振频率之差。本文基于全对称双级解耦微机械振动式陀螺的理论模型,系统研究了器件的动力学特性,得出了工作带宽与频率匹配度以及检测模态品质因子有关的结论。当角速度的频率等于驱动模态与检测模态谐振频率之差时,灵敏度最大;保持驱动模态品质因子一定,改变检测模态品质因子Qy时,Qy存在一个临界值使检测方向峰值位移也满足3dB带宽的要求,大大扩展了陀螺的工作带宽。其次,提出了一种全对称双级解耦微机械振动式陀螺结构并利用体硅微机械加工技术制备了敏感结构芯片,该陀螺能实现模态频率匹配的同时降低模态之间的耦合。采用全对称结构,驱动模态和检测模态谐振频率容易匹配;双级解耦结构有效降低了驱动模态和检测模态之间的耦合;驱动梳齿和检测梳齿均采用滑膜阻尼结构,在常压下也能获得较高品质因子。考虑耦合弹性系数,建立器件的无阻尼自由振动模型以获得结构模态频率和振型。求解结果表明模态之间的耦合仅为1.56%,驱动和检测模态谐振频率均为2966.9Hz。应用ANSYS对微机械陀螺的模态频率进行了有限元求解,理论求解与有限元求解结果吻合较好。最后,基于对微机械陀螺动态特性的分析,设计了微陀螺开环检测接口电路。电路主要由C-V转换电路、高/低通滤波器、移相器以及相敏解调电路构成。采用所设计的开环检测微机械陀螺接口电路,对微机械陀螺模态特性、温度特性以及灵敏度等项目进行了测试。构建了显微镜测试平台对微机械陀螺非线性振动进行了测试。测试结果表明,驱动模态产生非线性振动时,谐振频率随振幅增大而增大。模态测试结果表明器件的频率匹配良好,谐振频率分布在2300Hz2500Hz,与按照实际器件弹性梁宽度计算的谐振频率2774.7Hz较好吻合。温度特性测试表明随温度升高谐振频率和品质因子有所降低,但在不同的温度条件下模态频率仍匹配良好。在常压下测试微陀螺灵敏度为5.61mV/°/s,证实了该陀螺能在常压下工作。研究结果对全对称双级解耦微机械振动式陀螺的设计具有指导意义,为解决模态频率匹配、模态解耦以及避免真空封装等问题提供了一种解决方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 微机械陀螺的性能指标及主要应用
• 1.2.1 陀螺的性能指标
• 1.2.2 微机械陀螺的主要应用
• 1.3 微机械陀螺国内外研究现状
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 全对称双级解耦微机械陀螺动力学特性
• 2.1 哥氏效应
• 2.2 全对称双级解耦振动式陀螺运动方程
• 2.3 微机械陀螺的机械灵敏度和线性度
• 2.4 角速度频率响应
• 2.5 微机械陀螺的噪声
• 2.6 微机械陀螺的误差分析
• 2.6.1 正交误差
• 2.6.2 寄生哥氏力
• 2.7 本章小结
• 第3章 全对称双级解耦微机械陀螺设计与实现
• 3.1 全对称双级解耦微机械陀螺结构和工作原理
• 3.1.1 结构和工作原理
• 3.1.2 结构参数
• 3.2 弹性梁结构的设计
• 3.2.1 外弹性梁的弹性系数
• 3.2.2 内弹性梁的弹性系数
• 3.3 静电驱动与电容检测
• 3.3.1 静电梳齿驱动
• 3.3.2 梳状电容检测
• 3.4 全对称微机械陀螺的空气阻尼
• 3.4.1 微结构中的压膜阻尼
• 3.4.2 微结构中的滑膜阻尼
• 3.5 微机械陀螺的振动模态
• 3.5.1 实际器件模型
• 3.5.2 有限元求解
• 3.6 微机械陀螺的温度特性分析
• 3.7 微机械陀螺的系统模型
• 3.7.1 全对称微机械陀螺运动方程
• 3.7.2 微机械陀螺Simulink模型
• 3.8 微机械陀螺的制作
• 3.9 本章小结
• 第4章 微机械陀螺开环检测接口电路设计与仿真
• 4.1 微机械陀螺接口电路原理
• 4.2 驱动电路
• 4.3 检测电路设计
• 4.3.1 C-V转换电路
• 4.3.2 载波电路
• 4.3.3 高通滤波器
• 4.3.4 低通滤波器
• 4.3.5 解调电路
• 4.3.6 移相电路
• 4.4 测试电路板的设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 微机械陀螺测试与分析
• 5.1 工艺参数误差分析
• 5.2 模态参数测试与分析
• 5.3 非线性振动测试
• 5.3.1 显微镜测试平台
• 5.3.2 测试结果及分析
• 5.4 解耦特性测试
• 5.5 温度特性测试与分析
• 5.6 微机械陀螺灵敏度测试
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历