硅微机械陀螺敏感结构的理论研究

发布时间：2016-12-15 17:10

  本文关键词：硅微机械陀螺敏感结构的理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

《南京理工大学》 2015年

硅微机械陀螺敏感结构的理论研究

姜劭栋  

【摘要】：硅微机械陀螺是一种利用哥氏效应敏感物体转动角速率的MEMS惯性传感器。它能够在同一块硅片上集成敏感结构和外围测控电路,具有成本低、体积小、重量轻、功耗低等优点,在军事、民用领域具有广阔的应用前景。自上世纪90年代以来一直处于快速发展中,是各国研究热点之一。敏感结构是硅微机械陀螺的核心部件,其与陀螺的标度因数、零偏以及抗振动等性能直接相关。本文以课题组自主设计的双质量线振动硅微机械陀螺为研究对象,对其敏感结构的刚度矩阵、多模态固有频率、正交误差以及阻尼特性展开理论分析,为高性能硅微机械陀螺的设计优化提供实际指导和理论依据。本文首先对硅微机械陀螺的信号转换机制以及敏感结构的理论基础进行了研究。构建了陀螺输出信号与敏感结构关键参量的关系,说明敏感结构理论研究的重要性。介绍了敏感结构的支撑系统及其低阶模态,分析了干扰模态对陀螺性能的影响机理。利用弹性理论建立驱动梁的刚度公式,并对刚度公式进行了仿真验证。在此基础上,建立了敏感结构的刚度矩阵。阐述了敏感结构的能量耗散机理,介绍了敏感结构的真空封装方法,给出品质因数的实验结果。其次,对敏感结构的多模态固有频率进行了理论研究。将敏感结构看作多模态系统,分别构建其低阶模态的等效模型。利用能量法对低阶模态的模态刚度进行理论分析,建立了敏感结构多模态固有频率的理论模型。利用有限元法对敏感结构进行了模态分析,并且对敏感结构进行了模态识别实验。理论计算结果与仿真结果和实验结果的最大误差分别为8.63%和10.56%。给出了敏感结构的模态设计原则,并利用已建立的理论模型对敏感结构进行模态定阶。第三,对敏感结构的正交误差进行了理论研究。构建了有加工误差时敏感结构的刚度矩阵。在此基础上,建立了硅微机械陀螺正交误差理论模型。理论计算了直接耦合系数的取值范围为4.74×10-5-2.33x10-4, 二次耦合系数的取值范围为8.44×10-7～2.03×10-5。计算了正交耦合系数最大值为9.35×10-4,并通过仿真分析对理论计算结果进行验证。结合理论模型,提出基于驱动梁合理设计的正交误差抑制方法。对正交误差进行了实验分析,得到正交耦合系数的取值范围为1.08×10-4～4.13×10-4。第四,对敏感结构的阻尼特性进行了理论研究。建立驱动梁的热弹性耦合方程并对其求解,得到热弹性阻尼的复频率模型,理论计算得到热弹性阻尼的大小为9.19×10-6。利用热能量方法对热弹性阻尼进行仿真分析,理论结果与仿真结果的误差为1.88%。结合陀螺性能指标提出品质因数的设计要求,分析得到驱动梁梁宽和驱动模态固有频率的设计导向图。构建了热弹性阻尼的温度特性理论模型,计算得到常温下热弹性阻尼的温度系数为9.76×10-3/oC。对热弹性阻尼的温度系数进行了仿真分析和实验分析,理论计算结果与仿真结果和实验结果的误差分别为2.01%和7.50%。最后,对优化后敏感结构的关键参量进行了仿真分析和实验分析,验证了敏感结构优化的有效性和合理性。依据IEEE的陀螺测试标准对硅微机械陀螺整表进行了性能测试,得到陀螺的标度因数为8193.77LSB/°/s,零偏稳定性为4.54°/h,零偏重复性为6.14°/h。

【关键词】：
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212
【目录】：

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本文编号：214095