硅微慣性敏感器設(shè)計(jì)分析與數(shù)值模擬研究.pdf

1、硅微慣性敏感器作為一類新興的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，具有廣泛的軍事應(yīng)用背景和巨大的商業(yè)價(jià)值。硅微慣性敏感器的制作多數(shù)采用與集成電路相兼容的半導(dǎo)體加工工藝，制造工藝尚不成熟，設(shè)計(jì)理論也不完善，目前仍處于探索階段。計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)是目前發(fā)達(dá)國(guó)家在進(jìn)行高層次產(chǎn)品設(shè)計(jì)中普遍采用的先進(jìn)工程分析計(jì)算方法。借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟、硬件，和數(shù)值仿真算法程序，可為設(shè)計(jì)者提供直接的“虛擬樣機(jī)”模型和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)階段模擬產(chǎn)品的實(shí)時(shí)工作狀況，及

2、時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并能在設(shè)計(jì)階段較準(zhǔn)確的檢驗(yàn)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，顯著減少設(shè)計(jì)與制造成本。本文嘗試應(yīng)用CAE技術(shù)，采用有限元方法，進(jìn)行硅微慣性敏感器設(shè)計(jì)分析和數(shù)值模擬研究 1.硅微慣性敏感器結(jié)構(gòu)有限元模型的建立。針對(duì)硅微慣性敏感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用三維實(shí)體單元，建立了Ⅰ型、Ⅱ型單自由度振動(dòng)輪式陀螺儀，兩自由度振動(dòng)輪式陀螺儀和硅微折疊梁式加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)有限元模型：采用平板薄殼單元建立了硅微扭擺式加速度計(jì)的有限元模

3、型。 2.硅微慣性敏感器的模態(tài)分析和剛度設(shè)計(jì)。通過模態(tài)分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，確定了符合模態(tài)振型和頻率要求的Ⅰ型、Ⅱ型單自由度陀螺儀和兩自由度振動(dòng)輪式陀螺儀的結(jié)構(gòu)尺寸和剛度。硅微扭擺式加速度計(jì)的模態(tài)分析結(jié)果表明，其工作頻率較低，使用范圍受到限制：而折疊梁式加速度計(jì)的工作頻率大大提高，通頻帶較寬。提出了用于評(píng)價(jià)隔離式振動(dòng)輪式陀螺儀模態(tài)耦合程度的解耦系數(shù)。針對(duì)振動(dòng)輪式陀螺儀支承梁部分剛度設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，提出采用經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行計(jì)算。通過大量仿真，

4、得到了在典型的長(zhǎng)度，寬度和厚度條件下支承梁的剛度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式的修正系數(shù)。研究了修正系數(shù)與結(jié)構(gòu)各尺寸參數(shù)的變化規(guī)律，大大提高了設(shè)計(jì)效率。 3.硅微慣性敏感器動(dòng)響應(yīng)分析。系統(tǒng)對(duì)Ⅰ、Ⅱ型陀螺儀，兩自由度陀螺儀和兩種硅微加速度計(jì)進(jìn)行了的動(dòng)響應(yīng)研究。分析比較了在不同沖擊加速度下的結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)，確定了各型陀螺儀，加速度計(jì)的最大耐沖擊能力。研究了振動(dòng)輪式陀螺儀諧振頻率和靈敏度的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率和敏感模態(tài)頻率微小的頻率差將大大降低陀

5、螺儀的靈敏度。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率可較大幅度提高振動(dòng)輪式陀螺儀的靈敏度。該方法簡(jiǎn)單可行，但提高靈敏度的效果是有限的。論文指出解決此問題的根本方法是實(shí)現(xiàn)兩個(gè) 頻率的動(dòng)態(tài)匹配。在有限元模型上模擬并驗(yàn)證了采用直流偏置電壓調(diào)整法可調(diào)節(jié)敏感模態(tài)的諧振頻率，使之與驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率動(dòng)態(tài)匹配，從而使陀螺儀靈敏度達(dá)到理想的最人值。定最計(jì)算了型陀螺儀諧振頻率和靈敏度與直流偏置電壓的關(guān)系，確定了達(dá)到完全振所需加載的直流電壓值。研究了振動(dòng)輪式陀螺儀的線性特征，構(gòu)造

6、了有限元求解的迭代算法，定量計(jì)算表明振動(dòng)輪式陀螺儀隨輸入角速度變化而產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性輸出。提出采用自動(dòng)增益控制(AGC)方法控制驅(qū)動(dòng)幅值以消除非線性影響。 4.硅微慣性敏感器靜電場(chǎng)問題分析。立了硅微振動(dòng)輪陀螺儀叉齒驅(qū)動(dòng)的靜電場(chǎng)有限元模型，得到了型陀螺儀梳狀驅(qū)動(dòng)器的靜電驅(qū)動(dòng)力矩的數(shù)值解。數(shù)值計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)電場(chǎng)貯能與角位移成線性關(guān)系，靜電驅(qū)動(dòng)力的大小與角位移無關(guān)；當(dāng)動(dòng)齒和靜齒電極端部很接近時(shí)，靜電吸力劇幅增加，呈現(xiàn)明顯的非

7、線性特征．指出對(duì)于I型陀螺儀的叉齒，周向位移的允許值δ<,peam>．為最大周向間隙δ<,max>的2/3。同時(shí)進(jìn)一步討論了數(shù)值解的精度問題，證明了基于電場(chǎng)貯能的算法精度最高。研究并定量計(jì)算了阻尼孔對(duì)電容信號(hào)器的影響，發(fā)現(xiàn)開設(shè)適當(dāng)?shù)淖枘峥讓?duì)信號(hào)器電容量的影響是有限的。只要工藝允許，在相同面積比下，孔的密度越大，電容損失越小，因此提出采用骨架型結(jié)構(gòu)．研究分析了靜電驅(qū)動(dòng)的“懸浮”效應(yīng)，提出了計(jì)算振動(dòng)輪式諧振器靜電懸浮力的近似計(jì)算公式，定量計(jì)

8、算了型陀螺儀梳狀驅(qū)動(dòng)器的總靜電懸浮力。由此指出梳齒驅(qū)動(dòng)電極布置的對(duì)稱性特別是相對(duì)于輸出軸的對(duì)稱性十分重要。當(dāng)梳狀電極用于閉環(huán)檢測(cè)時(shí)．必須考慮懸浮效應(yīng)，不能隨意布置。 5.溫度對(duì)硅微慣性敏感器性能的影響研究。分析了溫度變化引起的硅材料主要特性的變化。采用間接耦合法，在0 ℃100 ℃范圍內(nèi)定量計(jì)算了I型陀螺儀的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)的固有頻率，以及驅(qū)動(dòng)角振幅的變化。分析計(jì)算了在硅-硅鍵合和硅-玻璃鍵合兩種情況下的熱應(yīng)力。采用應(yīng)力釋放槽