MEMS微陀螺儀振動(dòng)分析.pdf

1、隨著人類(lèi)對(duì)MEMS微陀螺儀的探索日益深入，作為一類(lèi)新興發(fā)展的慣性傳感器，它的發(fā)展和應(yīng)用正受到廣泛關(guān)注和重視。本文針對(duì)微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀的機(jī)-電耦合振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究，主要內(nèi)容如下。
　　首先，分析了一硅微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀的結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理，將其簡(jiǎn)化成質(zhì)量-彈簧-阻尼器力學(xué)模型，建立振動(dòng)微分方程。通過(guò)驅(qū)動(dòng)模態(tài)和感應(yīng)模態(tài)的運(yùn)動(dòng)，揭示了微陀螺儀設(shè)計(jì)過(guò)程中模態(tài)匹配的重要性。然后，分析了由于加工非理想性產(chǎn)生的不等彈性、阻尼不對(duì)稱(chēng)和質(zhì)量不平衡產(chǎn)生誤差

2、的信號(hào)，建立了機(jī)械耦合誤差信號(hào)和數(shù)學(xué)模型，并定量分析了z軸硅微陀螺儀的機(jī)械耦合誤差信號(hào)。結(jié)果表明，機(jī)械耦合誤差信號(hào)包含了正交耦合誤差與有用信號(hào)同相位的誤差信號(hào)，其中正交耦合誤差為主要誤差信號(hào)，且主要由不等彈性產(chǎn)生。
　　針對(duì)微陀螺儀設(shè)計(jì)中可能存在的機(jī)械耦合誤差設(shè)計(jì)了一種三自由度的MEMS振動(dòng)微陀螺儀，即驅(qū)動(dòng)方向?yàn)橐粋€(gè)自由度、感應(yīng)方向?yàn)閮蓚€(gè)自由度，此設(shè)計(jì)能夠大大減少機(jī)械耦合誤差，同時(shí)提高精度。對(duì)該三自由度微陀螺儀的設(shè)計(jì)思想、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、、動(dòng)力學(xué)方程及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，給出了在機(jī)電耦合下的動(dòng)力學(xué)特性。將上述振動(dòng)模型加入電場(chǎng)中，使得此模型不僅受到由機(jī)械力產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，更有可能受到來(lái)自電場(chǎng)的耦合干擾。通過(guò)分析加入電場(chǎng)力后的模型輸出響應(yīng)，得到輸出電壓和輸入角速度的關(guān)系，同時(shí)通過(guò)改變模型的結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行優(yōu)化，以使干擾最小。同時(shí)，對(duì)三自由度微陀螺儀在靜電場(chǎng)力下的非線性振動(dòng)進(jìn)行分析，得到了穩(wěn)定的工作頻率范圍。
　　最后，為解決該設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)的機(jī)電耦合缺陷，本文在驅(qū)動(dòng)框的外側(cè)設(shè)