面内微陀螺结构设计及模态测试

发布时间：2024-02-19 13:02

　　为了提升微机械陀螺在应用中的性能,需要巧妙设计陀螺结构来提高陀螺灵敏度.本文针对面内驱动/检测的微陀螺结构,进行了理论设计和Ansys有限元仿真分析验证,实现了微陀螺结构的模态匹配.通过测试质量块上分布导线产生的动生电动势的实验方法获得陀螺的幅频特性曲线,测量结果表明,微陀螺结构驱动方向频率为7 078.1 Hz(品质因数达643.2),检测方向频率为7 068.9 Hz (品质因数达1 010.7),结构灵敏度可达52.3 nm/(°/s),与理论期望值基本相符.这将为今后设计更高灵敏度的微陀螺式结构传感器提供理论依据及测试方法.

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【部分图文】：

图1微陀螺结构示意图

式中:F0为电磁驱动力;mx为驱动质量;ωx为驱动方向谐振角频率;Qx为驱动方向的品质因数;ωy为检测方向谐振角频率;Qy为检测方向的品质因数.本文中对微陀螺结构灵敏度设计的期望值在50nm/(°/s)～60nm/(°/s)范围内,根据陀螺结构灵敏度的定义,....

图5微陀螺结构加工实物图

在对陀螺结构模态分析的基础上,首先在双抛单晶硅片上沉积一层100nm厚的SiO2,制作绝缘层;然后磁控溅射(FHR)Cu制备种子层,光刻后电镀Cu和Au,制作驱动/反馈导线;其次将电镀好的导线湿法腐蚀(HF溶液)去除种子层;下一步光刻图形化正面结构,RIE....

图6驱动反馈测试电路原理图

当微陀螺结构驱动导线上通入交流信号时,将驱动陀螺沿x方向运动,从而带动驱动反馈导线切割磁感线,产生一个动生电动势.为了测试检测方向的谐振频率,在微陀螺检测质量块两端分别加工一根通电导线,一根作为检测驱动导线,一根作为检测反馈导线,如图6中所示.当交流信号频率大....

图2微陀螺结构模态分析

本文通过使用Ansys有限元仿真模块,选择理论分析计算获得的微陀螺结构的最佳尺寸参数,对陀螺结构添加边界条件后,经有限元方法分析微陀螺在驱动梁和检测梁最佳尺寸参数条件下各阶模态的变化情况.驱动模态频率和检测模态频率差值达到最小(理想情况下是零,此时完全匹配),结构灵敏....

本文编号：3902730