硅微慣性敏感器設計分析與數(shù)值模擬研究.pdf

1、硅微慣性敏感器作為一類新興的微型機電系統(tǒng)(MEMS)，具有廣泛的軍事應用背景和巨大的商業(yè)價值。硅微慣性敏感器的制作多數(shù)采用與集成電路相兼容的半導體加工工藝，制造工藝尚不成熟，設計理論也不完善，目前仍處于探索階段。計算機輔助工程(CAE)是目前發(fā)達國家在進行高層次產品設計中普遍采用的先進工程分析計算方法。借助先進的計算機軟、硬件，和數(shù)值仿真算法程序，可為設計者提供直接的“虛擬樣機”模型和計算機實驗數(shù)據(jù)。在設計階段模擬產品的實時工作狀況，及

2、時發(fā)現(xiàn)產品潛在的設計缺陷，進行優(yōu)化設計，并能在設計階段較準確的檢驗產品的各項性能指標，顯著減少設計與制造成本。本文嘗試應用CAE技術，采用有限元方法，進行硅微慣性敏感器設計分析和數(shù)值模擬研究 1.硅微慣性敏感器結構有限元模型的建立。針對硅微慣性敏感器的結構特點，采用三維實體單元，建立了Ⅰ型、Ⅱ型單自由度振動輪式陀螺儀，兩自由度振動輪式陀螺儀和硅微折疊梁式加速度計的結構有限元模型：采用平板薄殼單元建立了硅微扭擺式加速度計的有限元模

3、型。 2.硅微慣性敏感器的模態(tài)分析和剛度設計。通過模態(tài)分析和優(yōu)化結構，確定了符合模態(tài)振型和頻率要求的Ⅰ型、Ⅱ型單自由度陀螺儀和兩自由度振動輪式陀螺儀的結構尺寸和剛度。硅微扭擺式加速度計的模態(tài)分析結果表明，其工作頻率較低，使用范圍受到限制：而折疊梁式加速度計的工作頻率大大提高，通頻帶較寬。提出了用于評價隔離式振動輪式陀螺儀模態(tài)耦合程度的解耦系數(shù)。針對振動輪式陀螺儀支承梁部分剛度設計的難點，提出采用經驗公式來進行計算。通過大量仿真，

4、得到了在典型的長度，寬度和厚度條件下支承梁的剛度計算經驗公式的修正系數(shù)。研究了修正系數(shù)與結構各尺寸參數(shù)的變化規(guī)律，大大提高了設計效率。 3.硅微慣性敏感器動響應分析。系統(tǒng)對Ⅰ、Ⅱ型陀螺儀，兩自由度陀螺儀和兩種硅微加速度計進行了的動響應研究。分析比較了在不同沖擊加速度下的結構動響應，確定了各型陀螺儀，加速度計的最大耐沖擊能力。研究了振動輪式陀螺儀諧振頻率和靈敏度的關系。計算結果表明驅動模態(tài)頻率和敏感模態(tài)頻率微小的頻率差將大大降低陀

5、螺儀的靈敏度。通過調節(jié)驅動頻率可較大幅度提高振動輪式陀螺儀的靈敏度。該方法簡單可行，但提高靈敏度的效果是有限的。論文指出解決此問題的根本方法是實現(xiàn)兩個 頻率的動態(tài)匹配。在有限元模型上模擬并驗證了采用直流偏置電壓調整法可調節(jié)敏感模態(tài)的諧振頻率，使之與驅動模態(tài)諧振頻率動態(tài)匹配，從而使陀螺儀靈敏度達到理想的最人值。定最計算了型陀螺儀諧振頻率和靈敏度與直流偏置電壓的關系，確定了達到完全振所需加載的直流電壓值。研究了振動輪式陀螺儀的線性特征，構造

6、了有限元求解的迭代算法，定量計算表明振動輪式陀螺儀隨輸入角速度變化而產生嚴重的非線性輸出。提出采用自動增益控制(AGC)方法控制驅動幅值以消除非線性影響。 4.硅微慣性敏感器靜電場問題分析。立了硅微振動輪陀螺儀叉齒驅動的靜電場有限元模型，得到了型陀螺儀梳狀驅動器的靜電驅動力矩的數(shù)值解。數(shù)值計算結果發(fā)現(xiàn)在一定范圍內電場貯能與角位移成線性關系，靜電驅動力的大小與角位移無關；當動齒和靜齒電極端部很接近時，靜電吸力劇幅增加，呈現(xiàn)明顯的非

7、線性特征．指出對于I型陀螺儀的叉齒，周向位移的允許值δ<,peam>．為最大周向間隙δ<,max>的2/3。同時進一步討論了數(shù)值解的精度問題，證明了基于電場貯能的算法精度最高。研究并定量計算了阻尼孔對電容信號器的影響，發(fā)現(xiàn)開設適當?shù)淖枘峥讓π盘柶麟娙萘康挠绊懯怯邢薜?。只要工藝允許，在相同面積比下，孔的密度越大，電容損失越小，因此提出采用骨架型結構．研究分析了靜電驅動的“懸浮”效應，提出了計算振動輪式諧振器靜電懸浮力的近似計算公式，定量計

8、算了型陀螺儀梳狀驅動器的總靜電懸浮力。由此指出梳齒驅動電極布置的對稱性特別是相對于輸出軸的對稱性十分重要。當梳狀電極用于閉環(huán)檢測時．必須考慮懸浮效應，不能隨意布置。 5.溫度對硅微慣性敏感器性能的影響研究。分析了溫度變化引起的硅材料主要特性的變化。采用間接耦合法，在0 ℃100 ℃范圍內定量計算了I型陀螺儀的驅動模態(tài)和敏感模態(tài)的固有頻率，以及驅動角振幅的變化。分析計算了在硅-硅鍵合和硅-玻璃鍵合兩種情況下的熱應力。采用應力釋放槽