全對(duì)稱雙級(jí)解耦微機(jī)械振動(dòng)式陀螺研究.pdf

1、本文在建立全對(duì)稱雙級(jí)解耦微機(jī)械振動(dòng)式陀螺理論模型的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了器件的動(dòng)力學(xué)特性。提出一種新穎的全對(duì)稱雙級(jí)解耦微機(jī)械振動(dòng)式陀螺儀結(jié)構(gòu)，利用體硅微機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了敏感結(jié)構(gòu)芯片的制備，并進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究和特性測(cè)試工作。
　　首先，工作帶寬是微機(jī)械陀螺應(yīng)用的一個(gè)重要指標(biāo)，現(xiàn)有理論認(rèn)為帶寬和靈敏度是一對(duì)矛盾，將帶寬簡(jiǎn)單定義為驅(qū)動(dòng)頻率與檢測(cè)模態(tài)諧振頻率之差。本文基于全對(duì)稱雙級(jí)解耦微機(jī)械振動(dòng)式陀螺的理論模型，系統(tǒng)研究了器件的動(dòng)力學(xué)特性

2、，得出了工作帶寬與頻率匹配度以及檢測(cè)模態(tài)品質(zhì)因子有關(guān)的結(jié)論。當(dāng)角速度的頻率等于驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)諧振頻率之差時(shí)，靈敏度最大；保持驅(qū)動(dòng)模態(tài)品質(zhì)因子一定，改變檢測(cè)模態(tài)品質(zhì)因子Qy時(shí)，Qy存在一個(gè)臨界值使檢測(cè)方向峰值位移也滿足3dB帶寬的要求，大大擴(kuò)展了陀螺的工作帶寬。
　　其次，提出了一種全對(duì)稱雙級(jí)解耦微機(jī)械振動(dòng)式陀螺結(jié)構(gòu)并利用體硅微機(jī)械加工技術(shù)制備了敏感結(jié)構(gòu)芯片，該陀螺能實(shí)現(xiàn)模態(tài)頻率匹配的同時(shí)降低模態(tài)之間的耦合。采用全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)

3、模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)諧振頻率容易匹配；雙級(jí)解耦結(jié)構(gòu)有效降低了驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)之間的耦合；驅(qū)動(dòng)梳齒和檢測(cè)梳齒均采用滑膜阻尼結(jié)構(gòu)，在常壓下也能獲得較高品質(zhì)因子?？紤]耦合彈性系數(shù)，建立器件的無(wú)阻尼自由振動(dòng)模型以獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率和振型。求解結(jié)果表明模態(tài)之間的耦合僅為1.56％，驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)諧振頻率均為2966.9Hz。應(yīng)用ANSYS對(duì)微機(jī)械陀螺的模態(tài)頻率進(jìn)行了有限元求解，理論求解與有限元求解結(jié)果吻合較好。
　　最后，基于對(duì)微機(jī)械陀螺動(dòng)態(tài)特性

4、的分析，設(shè)計(jì)了微陀螺開環(huán)檢測(cè)接口電路。電路主要由C-V轉(zhuǎn)換電路、高/低通濾波器、移相器以及相敏解調(diào)電路構(gòu)成。采用所設(shè)計(jì)的開環(huán)檢測(cè)微機(jī)械陀螺接口電路，對(duì)微機(jī)械陀螺模態(tài)特性、溫度特性以及靈敏度等項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試。構(gòu)建了顯微鏡測(cè)試平臺(tái)對(duì)微機(jī)械陀螺非線性振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生非線性振動(dòng)時(shí)，諧振頻率隨振幅增大而增大。模態(tài)測(cè)試結(jié)果表明器件的頻率匹配良好，諧振頻率分布在2300Hz~2500Hz，與按照實(shí)際器件彈性梁寬度計(jì)算的諧振頻