硅微機械三軸陀螺儀的結構設計與仿真.pdf

1、隨著對微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的深入研究和取得的進展，以及目前市場對低成本、高可靠性以及微型化角速率傳感器的需求，硅微機械陀螺儀已成為過去近二十年內(nèi)廣泛研究和發(fā)展的主題。并且預測在今后幾年內(nèi)，硅微機械陀螺儀將會成為又一種成熟的硅微慣性敏感器件，廣泛應用于諸多領域。 目前，大部分的研究還僅集中于單軸和雙軸硅微機械陀螺儀，它們一般只能測量一個或兩個方向的角速度，但在慣性測量系統(tǒng)中，通常需要對三個正交的空間坐標系的旋轉(zhuǎn)軸角速度進行測

2、量，同時如果要進一步微型化，必然的趨勢是集成能測量三個方向的角速度的陀螺儀，這樣不僅體積小，更重要的是省卻了多個陀螺裝配時保證相對位置的麻煩，從而減小了測量誤差，大大地提高了測試系統(tǒng)的精度。 論文首先對硅微機械陀螺儀進行了綜述，結合國內(nèi)外關于硅微機械陀螺儀研究的代表性產(chǎn)品，討論它的發(fā)展狀況。 論文其次介紹了硅微機械陀螺儀的基本工作原理和動力學方程，分析了各種參數(shù)對陀螺性能的影響，然后對本論文研制的陀螺中用到的靜電驅(qū)動和電

3、容檢測方式進行了簡單分析。 第三，結合國內(nèi)外的設計方案并進行比較，提出采用三個單軸陀螺組合的方案實現(xiàn)三軸陀螺，即兩個水平軸陀螺，一個垂直軸陀螺。在具體的結構設計中，采用機械解耦結構設計、對稱的雙質(zhì)量塊結構設計、靜電梳狀驅(qū)動設計。兼顧到靜電力、驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)固有頻率、靈敏度、工藝條件等綜合要求，進行結構尺寸設計，利用ANSYS仿真軟件，給出符合各方面要求的優(yōu)化結構尺寸，以利于提高整體性能。但由于受到國內(nèi)目前加工工藝、加工精度、

4、器件機械結構尺寸及引線布局的限制，致使三個陀螺無法集成在一個硅片上，只能考慮改變方案，將三個陀螺分別封裝，組裝在一個PCB板上。這樣水平軸陀螺和垂直軸陀螺就可以采用不同的工藝，設計成不同厚度，使各自性能達到最好，同時對于水平軸陀螺仍可采用之前設計的結構，不需要重新進行設計，對于垂直軸陀螺可不作設計，直接采用實驗室的已有樣品，因此不需要作重復勞動，節(jié)省了時間。 第四，介紹了幾種常用的微機械加工技術，經(jīng)過比較分析，確定本文采用的加工