提高硅微陀螺仪性能若干关键技术研究 ——正交误差与杂散电容分析研究

论文摘要

随着对微电子机械系统（MEMS）的深入研究和取得的进展,以及目前市场对低成本、高可靠性以及微型化角速率传感器的需求,硅微机械陀螺仪已成为过去近二十年内广泛研究和发展的主题。并且预测在今后几年内,硅微机械陀螺仪将会成为又一种成熟的硅微惯性敏感器件,广泛应用于诸多领域。目前,硅微机械陀螺仪还主要用于中低精度场合,由于高精度应用场合对其的需求,所以需要研发出高性能硅微机械陀螺仪。硅微机械陀螺仪一般是一次成型,无法修正,且相对误差较大,这对硅微机械陀螺仪的性能有很大的影响。因此,合理的设计陀螺仪结构,使加工误差对陀螺仪性能有较小的影响,则显得更为重要。本论文以提高硅微机械陀螺仪性能为目的,对正交误差以及机电接口间的杂散电容进行了研究与分析,研究的主要内容如下:（1）正交误差的理论分析正交误差主要是由原理性误差和加工误差引起的。根据硅微机械陀螺仪的动力学方程式分析了原理性误差,并以刚度矩阵理论为基础详细分析了由加工引起的正交误差,结果表明由加工产生的正交误差远大于原理性正交误差。指出减小支承梁和弹性系统的驱动和敏感方向的耦合刚度系数可大大减小由加工带来的正交误差。（2）支承梁的设计原则利用能量法,推导了折叠梁的刚度系数,并提出了其设计原则。列举了蟹角梁、U形梁以及方波梁的结构形式和刚度公式,并总结了刚度公式的一般规律。从减小正交误差的角度,给出了硅微机械陀螺仪支承梁的设计原则。（3）机电接口模型的分析根据硅微机械陀螺仪的加工版图,分析机电接口间的电容、电阻,并根据版图结构和电容分布情况,建立了硅微机械陀螺仪的机电接口模型。对机电接口模型中的电容、电阻详细地进行了理论分析,指出杂散电容和电阻与有用信号之间的关系。最后,根据分析结果提出了布线原则。（4）z轴硅微机械陀螺仪结构改进以z轴硅微机械陀螺仪SZG1的力学模型为基础,建立了有加工误差时的动力学方程式和正交误差的数学模型,得出正交误差与刚度系数以及品质因数之间的关系。对原有的折叠梁进行结构改进和参数优化,并提出了横梁组件的设计原则。完全对称布置陀螺仪的引线,并采用新工艺进行加工,以减小机电接口噪声。（5）仿真与实验首先根据模态分析和动力学分析的基本理论,对SZG1-2#陀螺仪进行了模态分析,并在此基础上,分别对SZG1-1#和SZG1-2#陀螺仪进行了动力学分析,得出相同加工误差时的正交位移。设计并研制了SZG1-2#陀螺仪样品,并分别对SZG1-1#和SZG1-2#陀螺仪样品进行实验测试。根据实验结果,给出了SZG1-1#和SZG1-2#驱动轴的幅频特性,计算了驱动模态的品质因数。采集了零输入时,SZG1-1#和SZG1-2#输出信号经过前置放大器后的输出以及最后的直流输出,分别得出正交误差值和噪声功率谱密度。实验结果表明SZG1-2#的正交误差以及噪声都小于

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 硅微机械陀螺仪在国外的研究现状
• 1.2.2 硅微机械陀螺仪在国内的研究现状
• 1.2.3 正交误差解决方法研究状况
• 1.2.4 杂散电容的抑制方法
• 1.3 课题来源及研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 硅微机械陀螺仪的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 硅微机械陀螺仪的运动分析及相关理论
• 2.2.1 硅微机械陀螺仪的运动分析
• 2.2.2 硅微机械陀螺仪的电容检测机理
• 2.2.2.1 平板式电容检测
• 2.2.2.2 梳齿式电容检测
• 2.2.3 误差分析
• 2.2.3.1 结构性误差
• 2.2.3.1.1 原理性误差
• 2.2.3.1.2 加工误差
• 2.2.3.1.2.1 正交误差
• 2.2.3.1.2.2 力不平衡引起的误差信号
• 2.2.3.2 噪声分析
• 2.3 硅微机械陀螺仪的加工工艺
• 2.3.1 体硅微制造（Bulk Micromaching）
• 2.3.2 表面微加工（Surface Micromaching）
• 2.3.3 LIGA
• 2.3.4 复合微机械加工技术
• 2.4 小结
• 第三章 正交误差的研究与分析
• 3.1 引言
• 3.2 基本理论
• 3.2.1 弹性系统的刚度矩阵
• 3.2.2 支承梁的刚度计算方法
• 3.3 不等弹性
• 3.3.1 四根梁的弹性系统
• 3.3.1.1 弹性系统
• 3.3.1.1.1 弹性系统的坐标轴在平面内的偏转
• 3.3.1.1.2 弹性系统坐标轴的中心点在平面内偏移
• 3.3.1.2 支承梁加工误差产生的正交位移分析
• 3.3.1.2.1 工艺分析
• 3.3.1.2.2 梁宽不等
• 3.3.1.2.3 梁的中心线与参考坐标轴不垂直
• 3.3.1.2.4 结构的厚度不等
• 3.3.2 六根梁的弹性系统
• 3.3.2.1 弹性系统
• 3.3.2.1.1 弹性系统的坐标轴在平面内发生偏转
• 3.3.2.1.2 弹性系统坐标轴的中心点在平面内偏移
• 3.3.2.2 支承梁加工误差产生的正交位移分析
• 3.3.2.2.1 梁宽不等
• 3.3.2.2.2 梁的中心线与参考坐标轴不垂直
• 3.3.3 支承梁的刚度矩阵
• 3.4 不平衡力
• 3.4.1 驱动电极板间距不等
• 3.4.2 敏感电极板间距不等
• 3.4.2.1 平板式电容极板
• 3.4.2.2 梳齿式电容极板
• 3.5 小结
• 第四章 硅微机械陀螺仪的机电接口模型分析
• 4.1 引言
• 4.2 硅微机械陀螺仪的机电接口模型
• 4.3 硅微机械陀螺仪的电容与电阻分析
• 4.3.1 电容分析
• 4.3.1.1 有用电容
• 4.3.1.2 杂散电容
• 4.3.2 杂散电容对输出的影响
• pw 对输出的影响'>4.3.2.1 引线与活动结构间电容C_pw对输出的影响
• pM 对输出的影响'>4.3.2.2 衬底与活动结构间电容C_pM对输出的影响
• 4.3.3 电阻对输出的影响
• 4.4 小结
• 第五章 Z轴硅微机械陀螺仪的结构改进
• 5.1 引言
• 5.2. Z轴硅微机械陀螺仪的运动分析
• 5.2.1 理想运动分析
• 5.2.2 正交误差
• 5.2.2.1 外支承有加工误差
• 5.2.2.2 内支承有加工误差时
• 5.2.2.3 内外支承都有加工误差
• 5.3 正交误差的减小方法
• 5.3.1 外支承的改进
• 5.3.1.1 外支承刚度矩阵
• 5.3.1.2 外支承的改进
• 5.3.1.2.1 折叠梁
• 5.3.1.2.2 横梁组件
• 5.3.2 内支承梁的改进
• 5.4 杂散电容的减小
• 5.5 仿真
• 5.5.1 模态分析
• 5.5.1.1 模态分析的基本理论
• 5.5.1.2 模态仿真
• 5.5.2 动力学响应分析
• 5.5.2.1 动力学响应分析基本理论
• 5.5.2.2 正交位移的计算与仿真
• 5.6 小结
• 第六章 实验
• 6.1 引言
• 6.2 设计与加工
• 6.3 实验
• 6.3.1 驱动频率特性的实验曲线
• 6.3.2 正交误差
• 6.3.3 噪声分析
• 6.3.4 实验结果分析
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 折叠梁的刚度计算
• 攻读博士学位期间发表论文及获奖情况