MEMS角振动陀螺的结构建模与仿真分析

发布时间：2017-09-24 23:41

  本文关键词：MEMS角振动陀螺的结构建模与仿真分析

  更多相关文章： MEMS陀螺 有限元分析 抗过载 层合模型

【摘要】：作为MEMS技术的一个重要应用领域,MEMS陀螺以其低成本、体积小、可靠性高、功耗低等优点,已广泛应用于汽车、电子以及航空航天等各个领域,是各国关注的重点研究技术之一。鉴于上述背景,本文设计了一种抗过载、高灵敏度、100Hz带宽的角振动陀螺结构,理论分析了该结构的驱动力矩和科氏力矩,建立了陀螺两工作模态的动力学方程,得到了机械灵敏度、带宽的解析表达式。分析了陀螺两工作模态的气体阻尼,并从热弹性损耗的角度分析了硅基谐振陀螺高Q值的实现方式。其次,基于ANSYS有限元仿真分析技术,完成了陀螺的模态分析、热弹性阻尼分析、滑膜和压膜阻尼分析、抗过载分析以及驱动幅度分析。仿真结果表明,设计的结构满足带宽的设计目标,在高真空度下具备高Q值的实现可能,且具有在无保护装置下抗高过载的能力。通过与实验数据对比,验证了陀螺Q值和抗过载能力的仿真结果。最后,基于层合理论建立了角振动陀螺封装的解析模型,计算了热应力导致的芯片弯曲及其曲率半径。在此基础上,从工艺中键合误差的角度,建立了基于热应力和键合误差的零偏温度特性的解析计算模型,解释了角振动陀螺的零偏温度特性。通过与三个批次陀螺实验数据的对比,验证了该计算模型,并给出了封装的定量优化。
【关键词】：MEMS陀螺 有限元分析 抗过载 层合模型
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH824.3
【目录】：

• 中文摘要4-5
• abstract5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 论文的研究背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究概述10-14
• 1.3 论文主要研究内容14-15
• 第二章 角振动陀螺设计基础15-29
• 2.1 科氏效应15-16
• 2.2 工作原理16-19
• 2.2.1 驱动力矩17-19
• 2.2.2 科氏力矩19
• 2.3 角振动陀螺动力学分析19-22
• 2.4 阻尼分析22-28
• 2.4.1 气体阻尼流场模型22-24
• 2.4.2 滑膜阻尼24-26
• 2.4.3 压膜阻尼26-27
• 2.4.4 热弹性阻尼27-28
• 2.5 小结28-29
• 第三章 角振动陀螺的结构设计与仿真29-44
• 3.1 角振动陀螺的整体设计方案29-31
• 3.2 有限元简介31-32
• 3.3 模态仿真分析32-34
• 3.4 阻尼分析34-42
• 3.4.1 热弹性阻尼仿真分析34-37
• 3.4.2 滑膜阻尼分析37-39
• 3.4.3 压膜阻尼分析39-41
• 3.4.4 Q值的实验对比41-42
• 3.5 驱动幅度与灵敏度分析42-43
• 3.6 小结43-44
• 第四章 角振动陀螺过载分析44-52
• 4.1 冲击动力学基础44-46
• 4.2 冲击过载的静力等效46-48
• 4.3 硅材料的强度48-49
• 4.4 过载静力学仿真49-50
• 4.5 抗过载实验验证50-51
• 4.6 小结51-52
• 第五章 角振动陀螺零偏温度特性分析52-61
• 5.1 层合模型52-55
• 5.2 键合误差对零偏温度特性的影响55-59
• 5.3 零偏温度特性的改善59-60
• 5.4 小结60-61
• 第六章 总结与展望61-62
• 6.1 总结61
• 6.2 展望61-62
• 参考文献62-65
• 发表论文、专利情况65-66
• 附录66-68
• 致谢68-69

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本文编号：914145