新型對稱全解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化.pdf

1、得益于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的巨大成功，硅微陀螺儀在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空/國防等領(lǐng)域中取得了廣泛應(yīng)用。硅微陀螺儀的主要優(yōu)點(diǎn)在于微型化、低成本、適于大批量生產(chǎn)，并且在穩(wěn)定性和高性能上展現(xiàn)出美好前景。由于研究的不斷深入，硅微陀螺儀的性能在過去幾十年中獲得極大的提升。然而，由于容易受到加工工藝變化和外界環(huán)境波動的影響，硅微陀螺儀仍然不能滿足諸如導(dǎo)航之類的高性能應(yīng)用場合。
　　本文以提高硅微陀螺儀的性能為目的，在深入研究硅微

2、陀螺儀的工作機(jī)理和設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，選擇雙質(zhì)量和全解耦的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計一種全新的硅微陀螺儀，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時分析加工工藝和環(huán)境干擾對硅微陀螺儀性能影響。本文主要研究以下幾方面的內(nèi)容:
　　(1)硅微陀螺儀的工作機(jī)理和振動特性研究
　　首先對硅微陀螺儀的工作原理進(jìn)行了深入研究，分析了硅微陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)和哥氏效應(yīng)，并建立了硅微陀螺儀的動力學(xué)模型，分析了傳統(tǒng)單質(zhì)量陀螺儀質(zhì)量-彈簧-阻尼的二階系統(tǒng)的振動特性、驅(qū)動模態(tài)

3、和檢測模態(tài)的振動特性，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了雙質(zhì)量硅微陀螺儀的振動模態(tài)和振型。此外，本文還分析了硅微陀螺儀的靜電驅(qū)動和電容檢測機(jī)理，以及硅微陀螺儀的阻尼特性。
　　(2)對稱全解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和仿真優(yōu)化
　　在分析比較硅微陀螺儀主要結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式完成對稱全解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀的整體設(shè)計，主要包括支承機(jī)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動與檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計、全解耦設(shè)計、對稱雙質(zhì)量設(shè)計等，最終分析了所設(shè)計的硅微陀

4、螺儀整體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。之后利用有限元仿真軟件分別進(jìn)行了模態(tài)仿真、軸向加速度敏感性仿真、熱應(yīng)力仿真、諧響應(yīng)仿真和瞬態(tài)沖擊仿真，驗證了設(shè)計方案的合理性，并不斷優(yōu)化硅微陀螺儀的機(jī)構(gòu)形式和具體尺寸，使得陀螺儀的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。
　　(3)硅微陀螺儀的誤差分析
　　分析了所設(shè)計的硅微陀螺儀的主要誤差來源和表現(xiàn)形式，并闡釋了這些誤差對硅微陀螺儀性能的影響，針對各誤差，給出結(jié)構(gòu)設(shè)計中的注意細(xì)則和優(yōu)化方案。首先進(jìn)行了結(jié)構(gòu)誤差分析，主要包括加

5、工誤差導(dǎo)致的剛度耦合誤差、阻尼耦合誤差、梁寬誤差和傾角誤差加工誤差導(dǎo)致的固有頻率變化、左右質(zhì)量和剛度不等對振動幅度的影響;然后分析了硅微陀螺儀驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的機(jī)電接口模型，并研究了雜散電容對輸出的影響。最后討論了溫度變化對硅微陀螺儀性能的影響，主要包括固有頻率、品質(zhì)因數(shù)、穩(wěn)定時間、驅(qū)動幅度、機(jī)械靈敏度、電容變化靈敏度等參數(shù)受溫度變化的影響。
　　(4)硅微陀螺儀的制作和實(shí)驗
　　介紹了硅微陀螺儀的DDSOG加工工藝，并給