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梳状音叉双线振动硅微机械陀螺仪的技术研究

作　者: 管继平
导　师: 刘晓明
学　校: 电子科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 微机械陀螺仪解耦隔离品质因素正交误差
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前广泛运用于惯性导航技术领域的传统机械式陀螺仪和光学式陀螺仪,虽然它们的精度高而且制造及运用技术成熟,但都有着体积大和重量大的缺点,极大地限制了它们在微型化场合的运用,与当前微型化发展潮流相悖。随着20世纪八九十年代MEMS技术的发展,一种利用MEMS加工技术开发的微机械陀螺仪得到了迅猛发展。微机械陀螺仪具有微型化、集成化、动态性能好、能耗低、易于数字化和智能化、可靠性高、寿命长等诸多优点,解决了传统机械式陀螺仪和光学式陀螺仪无法在微型化场合应用的难题,对惯性导航技术有极大的需求的商业和军事应用领域有着举足轻重的意义和价值。微机械陀螺仪的精度参数通常由漂移率和分辨率进行标定。虽然微机械陀螺仪微机械陀螺仪相对传统机械式陀螺仪和光学式陀螺仪有诸多优点,但目前国内外的研究机构开发出的绝大部分微机械陀螺仪漂移率和分辨率精度性能只达到了速率级别应用要求,限制了它们在需要高精度的惯性级别应用场合的使用。因此,提高微机械陀螺仪漂移率和分辨率性能成了国内外研发机构开发微机械陀螺仪的首要目标。为了解决微机械陀螺仪仪漂移率和分辨率精度性能低下的问题,本文在总结前人成果的基础上,特别是在美国佐治亚理工学院开发的一款微机械陀螺仪的基础上,开发出了一种梳状音叉双线振动微机械陀螺仪结构。该梳状音叉双线振动微机械陀螺仪结构采用了对称型双折叠梁作为弹性支撑梁,对结构的驱动模态和检测模态起到了解耦作用;同时,该结构对驱动梳齿采用了独特的隔离设计,能够极大的降低驱动信号对检测信号的正交干扰。通过解耦和隔离设计,可以极大的降低微机械陀螺仪正交误差,从而提高陀螺仪的漂移率精度。通过对弹性支撑梁的各个几何参数进行优化设计,该微机械陀螺仪具有高品质因素的良好特性,从而为提高陀螺仪的分辨率打下了基础。本文通过有限元分析软件ANSYS对梳状音叉双线振动微机械陀螺仪结构的设计方案的优越性进行了分析验证。通过解耦有限元分析,验证采用折叠梁设计使系统驱动模态和检测模态间的耦合作用降到了1.9%以下;通过隔离有限元分析,验证经过隔离设计以后,驱动信号对检测信号的正交干扰降到了未经隔离作用的2.5%以下。通过理论分析,并通过Matlab仿真,得到梳状音叉双线振动硅微陀螺仪品质因素可达51×105,该梳状音叉双线振动微机械陀螺仪有非常高的分辨率。本文设计的微机械陀螺仪性能优越,结构新颖,已经申请了国家专利。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 研究背景与选题意义  10-11
  1.2 微机械陀螺仪发展现状  11-17
    1.2.1 国外发展现状  12-15
    1.2.2 国内发展现状  15-17
  1.3 课题来源与主要工作内容  17-18
第二章梳状音叉双线振动硅微机械陀螺仪理论基础  18-31
  2.1 科氏效应和科氏加速度  18-20
  2.2 线振动式微机械陀螺仪动力学模型及动力学分析  20-23
  2.3 微机械陀螺仪的驱动和检测技术  23-27
    2.3.1 静电驱动原理  23-26
    2.3.2 电容检测原理  26-27
  2.4 微机械陀螺仪主要性能指标描述  27-29
    2.4.1 零偏  27
    2.4.2 分辨率  27-28
    2.4.3 标度因子  28
    2.4.4 动态范围  28
    2.4.5 带宽  28-29
  2.5 微机械陀螺仪误差来源分析  29-31
    2.5.1 正交误差  29
    2.5.2 轴向加速度的影响  29-30
    2.5.3 噪声的影响  30-31
第三章梳状音叉双线振微机械陀螺仪主体结构设计  31-50
  3.1 结构设计准则  31-32
  3.2 梳状音叉双线振微机械陀螺仪结构及工作原理  32-33
  3.3 弹性支撑梁设计  33-42
    3.3.1 设计中的考虑因素  33-34
    3.3.2 弹性支撑梁的选型与布局  34-40
    3.3.3 折叠梁的设计  40-42
  3.4 梳状音叉双线振微机械陀螺仪动力学设计及模态有限元仿真  42-50
    3.4.1 驱动模态的设计及频率设计  42-44
    3.4.2 检测模态的设计及频率设计  44-45
    3.4.3 梳状音叉双线振微机械陀螺仪模态仿真  45-50
第四章梳状音叉双线振微机械陀螺仪结构优化设计仿真  50-66
  4.1 降低正交误差  50-59
    4.1.1 解耦优化设计  52-57
    4.1.2 隔离优化设计  57-59
  4.2 品质因素分析  59-66
    4.2.1 热弹性阻尼分析  59-63
    4.2.2 支撑耗散  63-65
    4.2.3 表面耗散  65-66
第五章梳状音叉双线振动硅微机械陀螺仪的制造  66-71
  5.1 MEMS 加工技术  66-68
    5.1.1 MEMS 系统的优点  66-67
    5.1.2 几种MEMS 加工技术  67-68
  5.2 梳状音叉双线振动硅微机械陀螺仪加工  68-71
    5.2.1 SOI 材料介绍  68-69
    5.2.2 梳状音叉双线振动硅微机械陀螺仪加工过程  69-71
第六章总结及展望  71-73
  6.1 论文的主要工作内容  71-72
  6.2 工作展望  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-77
攻读硕士期间取得的研究成果  77-78

梳状音叉双线振动硅微机械陀螺仪的技术研究

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