小型化蝶翼式硅微陀螺非线性振动及模态耦合特性研究
发布时间：2020-12-14 19:52
随着微机械电子系统(MEMS)的迅猛发展,MEMS陀螺已经广泛应用于航空航天、惯性导航、智能电子、汽车安全等军用和民用领域。蝶翼式MEMS陀螺具备易于加工、灵敏度高、环境适应性强等优点,逐步成为MEMS陀螺领域的重要研究方向。小型化设计对于蝶翼式MEMS陀螺缩小体积、降低成本和功耗、提升产量至关重要,但是由于陀螺整体尺寸的减小,非线性振动和模态耦合现象凸显。陀螺工作模态的非线性振动将导致固有频率发生较大幅度漂移,限制了陀螺机械灵敏度的进一步提升,抑制陀螺各工作模态的非线性振动成为进一步提升机械灵敏度的关键。模态耦合是指两个振动模态在某一振动模态下的振动输入导致另一振动模态下的响应。一方面,陀螺工作模态之间的耦合需要进行抑制,因为这种耦合效应导致陀螺检测的正交误差;另一方面,巧妙利用陀螺非工作模态与工作模态之间的耦合进行边带激励可以有效改善陀螺的动态特性。但目前对于MEMS陀螺非线性振动及模态耦合的研究鲜有报道。因此本文首先设计并加工了一种小型化蝶翼式MEMS陀螺,其次分析了各工作模态非线性振动特性,提出了从陀螺设计的角度抑制工作模态非线性振动的方法,然后研究了工作模态之间的耦合机理,提...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型军事应用
Draper研制
国防科技大学研究生院硕士学位论文第3页(a)框架式结构陀螺(b)调制音叉式陀螺图1.2Draper研制的MEMS陀螺国外较早开始关于MEMS陀螺的研究。国外对于MEMS陀螺的研究目标是达到导航级精度，进而取代传统陀螺。近年来Boeing研制了一种MEMS盘形陀螺[11]，如图1.3所示，其硅敏感结构为多个辐条相连的同心环结构，具有频率裂解孝品质因数高等优点。该MEMS陀螺具备导航级检测精度，其艾伦方差零偏稳定性为0.012°/h，角度随机游走为0.0033°/√h，标度因数非线性为10ppm，带宽为100Hz，量程为±700°/s。(a)结构示意图(b)结构实物图(c)具有温控功能的封装图1.3Boeing盘形陀螺(a)四质量块陀螺示意图(b)四质量块陀螺实物图图1.4UCI四质量块陀螺加州大学欧文分校（UCI）研制了一种MEMS四质量块陀螺[12-13]，如图1.4所示。硅敏感结构为双差分对称四质量块，通过优化连接各个质量块之间的梁结构，使陀螺的驱动模态为差分运动模态，可以大幅度提高陀螺的信噪比。同时，该陀螺具备极高的品质因子（百万级别）和较大的振动幅值。其艾伦方差零偏稳定性为0.09°/h，标度因数非线性为10ppm，其量程为±18000°/s。SensoNor研制了一种集中质量式MEMS陀螺[14]，如图1.5所示。其采用双耦合差分敏感质量块和双面TGV衬底，从而大幅度提升器件的信噪比。其零偏稳定性为0.04°/h，角度随机游走为0.002°/√h，标度因数非线性为±300ppm，量程为
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于MEMS传感器的无人飞艇航姿测量系统[J]. 胡少兴,刘东昌,张爱武,朱煜坤. 传感器与微系统. 2014(03)
[2]硅微振动陀螺仪设计与性能测试[J]. 贾方秀,裘安萍,施芹,苏岩. 光学精密工程. 2013(05)
[3]MEMS微陀螺仪研究进展[J]. 成宇翔,张卫平,陈文元,崔峰,刘武,吴校生. 微纳电子技术. 2011(05)
[4]基于科氏加速度的微陀螺[J]. 刘凯,张卫平,陈文元,李凯,肖奇军,马高印. 压电与声光. 2010(03)
[5]国外MEMS技术的现状及其在军事领域中的应用[J]. 亢春梅,曹金名,刘光辉. 传感器技术. 2002(06)
博士论文
[1]切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺设计理论与加工工艺研究[D]. 李文印.国防科技大学 2018
[2]蝶翼式硅微陀螺静电力控制关键技术研究[D]. 苏剑彬.国防科学技术大学 2013
[3]半球谐振陀螺误差建模补偿与力平衡控制方法研究[D]. 王旭.国防科学技术大学 2012
硕士论文
[1]圆柱壳体振动陀螺阻尼不均匀性分析及其修调方法研究[D]. 孙江坤.国防科技大学 2017
[2]双蝶翼式敏感结构微机电陀螺关键技术研究[D]. 徐向明.国防科技大学 2017
本文编号：2916930
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型军事应用
Draper研制
国防科技大学研究生院硕士学位论文第3页(a)框架式结构陀螺(b)调制音叉式陀螺图1.2Draper研制的MEMS陀螺国外较早开始关于MEMS陀螺的研究。国外对于MEMS陀螺的研究目标是达到导航级精度，进而取代传统陀螺。近年来Boeing研制了一种MEMS盘形陀螺[11]，如图1.3所示，其硅敏感结构为多个辐条相连的同心环结构，具有频率裂解孝品质因数高等优点。该MEMS陀螺具备导航级检测精度，其艾伦方差零偏稳定性为0.012°/h，角度随机游走为0.0033°/√h，标度因数非线性为10ppm，带宽为100Hz，量程为±700°/s。(a)结构示意图(b)结构实物图(c)具有温控功能的封装图1.3Boeing盘形陀螺(a)四质量块陀螺示意图(b)四质量块陀螺实物图图1.4UCI四质量块陀螺加州大学欧文分校（UCI）研制了一种MEMS四质量块陀螺[12-13]，如图1.4所示。硅敏感结构为双差分对称四质量块，通过优化连接各个质量块之间的梁结构，使陀螺的驱动模态为差分运动模态，可以大幅度提高陀螺的信噪比。同时，该陀螺具备极高的品质因子（百万级别）和较大的振动幅值。其艾伦方差零偏稳定性为0.09°/h，标度因数非线性为10ppm，其量程为±18000°/s。SensoNor研制了一种集中质量式MEMS陀螺[14]，如图1.5所示。其采用双耦合差分敏感质量块和双面TGV衬底，从而大幅度提升器件的信噪比。其零偏稳定性为0.04°/h，角度随机游走为0.002°/√h，标度因数非线性为±300ppm，量程为
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种基于MEMS传感器的无人飞艇航姿测量系统[J]. 胡少兴,刘东昌,张爱武,朱煜坤. 传感器与微系统. 2014(03)
[2]硅微振动陀螺仪设计与性能测试[J]. 贾方秀,裘安萍,施芹,苏岩. 光学精密工程. 2013(05)
[3]MEMS微陀螺仪研究进展[J]. 成宇翔,张卫平,陈文元,崔峰,刘武,吴校生. 微纳电子技术. 2011(05)
[4]基于科氏加速度的微陀螺[J]. 刘凯,张卫平,陈文元,李凯,肖奇军,马高印. 压电与声光. 2010(03)
[5]国外MEMS技术的现状及其在军事领域中的应用[J]. 亢春梅,曹金名,刘光辉. 传感器技术. 2002(06)
博士论文
[1]切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺设计理论与加工工艺研究[D]. 李文印.国防科技大学 2018
[2]蝶翼式硅微陀螺静电力控制关键技术研究[D]. 苏剑彬.国防科学技术大学 2013
[3]半球谐振陀螺误差建模补偿与力平衡控制方法研究[D]. 王旭.国防科学技术大学 2012
硕士论文
[1]圆柱壳体振动陀螺阻尼不均匀性分析及其修调方法研究[D]. 孙江坤.国防科技大学 2017
[2]双蝶翼式敏感结构微机电陀螺关键技术研究[D]. 徐向明.国防科技大学 2017
本文编号：2916930
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