机械振动应力下IMU内MEMS传感器的抗振研究

发布时间：2021-10-09 05:43

　　针对惯性测量单元（IMU）内部微机电系统（MEMS）传感器粘固在印刷电路板（PCB）上,外界载体产生的机械振动使其受迫振动,长时间作用会引发传感器机械疲劳、结构断裂以及性能退化等问题,根据结构动力学原理,分析双自由度系统模型,并运用MATLAB软件进行仿真,以找出影响因素及其设定范围;同时,保证在加速度计带宽范围内的信号1︰1传递给加速度计。研究结果表明:载体机械振动信号在10 kHz范围内时,适当降低陀螺仪和加速度计的品质因数,PCB的固有频率保持在1kHz以内以及其品质因数不大于10,可有效降低振动应力对传感器的影响。 

【文章来源】：传感器与微系统. 2020,39(06)CSCD

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

图1 双自由度振动模型

2)陀螺仪的固有频率固定不变，在Qg，ωPCB,QPCB三项中的两项不变的情况下，通过改变第三项来探究三者分别给振动响应带来的影响，其曲线如图2(b)～(d)所示。可得出Qg扩大10倍，在陀螺固有频率附近az/a0的峰值也随即扩大约10倍;ωPCB缩小约10倍，在陀螺固有频率附近的az/a0峰值也随即缩小约10倍;QPCB扩大10倍，在陀螺固有频率附近az/a0的峰值几乎无影响，反而ω0在ωPCB附近时，az/a0的峰值增加至大于1。所以，要降低振动对陀螺结构的影响，防止结构发生共振，可适当降低陀螺仪的品质因数，ωPCB需设定在1 k Hz以内且QPCB不能大于100。

1)常用的微硅电容式加速度计电子器件的固有频率一般大于500 Hz[11]，由于研究重点不是固有频率，取500 Hz研究，品质因数Qa(指上节中的Qi)一般小于1，振动频率ω0同样在10000×2πHz之内，而与PCB相关的参数ωPCB和QPCB的值则需要根据符合加速度计振动响应要求的曲线来确定。通过仿真，得出符合加速度计带宽检测曲线(0～200 Hz左右)与10 k Hz以内的振动响应曲线如图3所示，其中，ωi=500×2πHz,Qa=0.707，ωPCB=1 000×2πHz,QPCB=0.707。从图3可以看出，在加速度计带宽内，ω0越小，az/a0越接近于零，此时ω0在0～ωi频率范围内类似于高通滤波系统，由于加速度计带宽属于低频信号，符合加速度计工作要求;而在10 k Hz的全频段，加速度计在其固有频率附近az/a0的峰值也小于1，振动应力下对加速度计影响也不大，参数符合要求。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于振动疲劳损伤分析的飞机壁板结构加筋参数优选[J]. 李鹏,马君峰,王纯,王建强.  应用力学学报. 2017(04)
[2]电容式加速度传感器设计及工艺加工[J]. 任建军,石云波,唐军,冯恒振,杜文略.  微纳电子技术. 2017(07)
[3]MEMS惯性器件的主要失效模式和失效机理研究[J]. 陈俊光,谷专元,何春华,黄钦文,来萍,恩云飞.  传感器与微系统. 2017(03)
[4]GNSS与IMU集成原理及其改进分析[J]. 赵福生,杨宏瑞,薛艳丽.  测绘通报. 2016(06)
[5]结构振动疲劳研究综述[J]. 刘文光,陈国平,贺红林,吴晖.  工程设计学报. 2012(01)
[6]捷联惯导系统减振设计(英文)[J]. 庹洲慧,胡德文,李如华,魏建仓.  中国惯性技术学报. 2009(06)

硕士论文
[1]抗冲击硅微机械陀螺仪结构设计技术研究[D]. 孙慧.东南大学 2017
[2]MEMS微惯性航姿系统的优化设计与集成技术研究[D]. 王小春.南京航空航天大学 2013



本文编号：3425750