提高硅微陀螺儀性能若干關(guān)鍵技術(shù)研究——正交誤差與雜散電容分析研究.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(yù)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(yīng)用于諸多領(lǐng)域。 目前，硅微機械陀螺儀還主要用于中低精度場合，由于高精度應(yīng)用場合對其的需求，所以需要研發(fā)出高性能硅微機械陀螺儀。硅微機械陀螺儀一般是一次成型，無法修正，且相對誤差較大

2、，這對硅微機械陀螺儀的性能有很大的影響。因此，合理的設(shè)計陀螺儀結(jié)構(gòu)，使加工誤差對陀螺儀性能有較小的影響，則顯得更為重要。本論文以提高硅微機械陀螺儀性能為目的，對正交誤差以及機電接口間的雜散電容進行了研究與分析，研究的主要內(nèi)容如下： (1)正交誤差的理論分析正交誤差主要是由原理性誤差和加工誤差引起的。根據(jù)硅微機械陀螺儀的動力學(xué)方程式分析了原理性誤差，并以剛度矩陣?yán)碚摓榛A(chǔ)詳細分析了由加工引起的正交誤差，結(jié)果表明由加工產(chǎn)生的正交誤差

3、遠大于原理性正交誤差。指出減小支承梁和彈性系統(tǒng)的驅(qū)動和敏感方向的耦合剛度系數(shù)可大大減小由加工帶來的正交誤差。 (2)支承梁的設(shè)計原則利用能量法，推導(dǎo)了折疊梁的剛度系數(shù)，并提出了其設(shè)計原則。列舉了蟹角梁、U形梁以及方波梁的結(jié)構(gòu)形式和剛度公式，并總結(jié)了剛度公式的一般規(guī)律。從減小正交誤差的角度，給出了硅微機械陀螺儀支承梁的設(shè)計原則。 (3)機電接口模型的分析根據(jù)硅微機械陀螺儀的加工版圖，分析機電接口間的電容、電阻，并根據(jù)版圖結(jié)

4、構(gòu)和電容分布情況，建立了硅微機械陀螺儀的機電接口模型。對機電接口模型中的電容、電阻詳細地進行了理論分析，指出雜散電容和電阻與有用信號之間的關(guān)系。最后，根據(jù)分析結(jié)果提出了布線原則。 (4)z軸硅微機械陀螺儀結(jié)構(gòu)改進以z軸硅微機械陀螺儀SZGl的力學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了有加工誤差時的動力學(xué)方程式和正交誤差的數(shù)學(xué)模型，得出正交誤差與剛度系數(shù)以及品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系。對原有的折疊梁進行結(jié)構(gòu)改進和參數(shù)優(yōu)化，并提出了橫梁組件的設(shè)計原則。完全對稱

5、布置陀螺儀的引線，并采用新工藝進行加工，以減小機電接口噪聲。 (5)仿真與實驗首先根據(jù)模態(tài)分析和動力學(xué)分析的基本理論，對SZG1-2<'＃>陀螺儀進行了模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上，分別對SZGl-1<'＃>和SZGl-2<'＃>陀螺儀進行了動力學(xué)分析，得出相同加工誤差時的正交位移。設(shè)計并研制了SZGl-2<'＃>陀螺儀樣品，分別對SZGl-1M<'＃>和SZGl-2<'＃>陀螺儀樣品進行實驗測試。根據(jù)實驗結(jié)果，給出了SZGl-1<'

6、＃>和SZGl-2<'＃>驅(qū)動軸的幅頻特性，計算了驅(qū)動模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)。采集了零輸入時，SZGl-1<'＃>和SZGl-2<'＃>輸出信號經(jīng)過前置放大器后的輸出以及最后的直流輸出，本文主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，針對減小正交誤差和雜散電容，提出了相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，它們對硅微機械陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的指導(dǎo)作用。以結(jié)構(gòu)設(shè)計提高陀螺儀性能的方法相對其它方法具有耗資少、周期短等特點。影響硅微機械陀螺儀性能的因素很多，如加工、結(jié)構(gòu)、電路、封裝等。因此，