硅微機(jī)械三軸陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真.pdf

1、隨著對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的深入研究和取得的進(jìn)展，以及目前市場(chǎng)對(duì)低成本、高可靠性以及微型化角速率傳感器的需求，硅微機(jī)械陀螺儀已成為過去近二十年內(nèi)廣泛研究和發(fā)展的主題。并且預(yù)測(cè)在今后幾年內(nèi)，硅微機(jī)械陀螺儀將會(huì)成為又一種成熟的硅微慣性敏感器件，廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。 目前，大部分的研究還僅集中于單軸和雙軸硅微機(jī)械陀螺儀，它們一般只能測(cè)量一個(gè)或兩個(gè)方向的角速度，但在慣性測(cè)量系統(tǒng)中，通常需要對(duì)三個(gè)正交的空間坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)軸角速度進(jìn)行測(cè)

2、量，同時(shí)如果要進(jìn)一步微型化，必然的趨勢(shì)是集成能測(cè)量三個(gè)方向的角速度的陀螺儀，這樣不僅體積小，更重要的是省卻了多個(gè)陀螺裝配時(shí)保證相對(duì)位置的麻煩，從而減小了測(cè)量誤差，大大地提高了測(cè)試系統(tǒng)的精度。 論文首先對(duì)硅微機(jī)械陀螺儀進(jìn)行了綜述，結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于硅微機(jī)械陀螺儀研究的代表性產(chǎn)品，討論它的發(fā)展?fàn)顩r。 論文其次介紹了硅微機(jī)械陀螺儀的基本工作原理和動(dòng)力學(xué)方程，分析了各種參數(shù)對(duì)陀螺性能的影響，然后對(duì)本論文研制的陀螺中用到的靜電驅(qū)動(dòng)和電

3、容檢測(cè)方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。 第三，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行比較，提出采用三個(gè)單軸陀螺組合的方案實(shí)現(xiàn)三軸陀螺，即兩個(gè)水平軸陀螺，一個(gè)垂直軸陀螺。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用機(jī)械解耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)稱的雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜電梳狀驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。兼顧到靜電力、驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)固有頻率、靈敏度、工藝條件等綜合要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，利用ANSYS仿真軟件，給出符合各方面要求的優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，以利于提高整體性能。但由于受到國(guó)內(nèi)目前加工工藝、加工精度、

4、器件機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸及引線布局的限制，致使三個(gè)陀螺無(wú)法集成在一個(gè)硅片上，只能考慮改變方案，將三個(gè)陀螺分別封裝，組裝在一個(gè)PCB板上。這樣水平軸陀螺和垂直軸陀螺就可以采用不同的工藝，設(shè)計(jì)成不同厚度，使各自性能達(dá)到最好，同時(shí)對(duì)于水平軸陀螺仍可采用之前設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，不需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于垂直軸陀螺可不作設(shè)計(jì)，直接采用實(shí)驗(yàn)室的已有樣品，因此不需要作重復(fù)勞動(dòng)，節(jié)省了時(shí)間。 第四，介紹了幾種常用的微機(jī)械加工技術(shù)，經(jīng)過比較分析，確定本文采用的加工