抗沖擊硅微機械陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究.pdf

1、硅微機械陀螺儀是用于測量角速度的微型傳感器，與傳統(tǒng)的機電陀螺儀相比，除了具有體積小、重量輕等特點，還具有高可靠性以及良好的動態(tài)性能并且易于數(shù)字化的特點。由于這些優(yōu)異的性能，硅微陀螺儀得到了迅速的發(fā)展并廣泛應用于民用和軍用領(lǐng)域。本文圍繞抗沖擊硅微機械陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計展開研究，從理論出發(fā)，借助ANSYS有限元分析軟件，設(shè)計一種具有較高抗沖擊能力的陀螺儀結(jié)構(gòu)。
　　論文的研究工作主要包括以下內(nèi)容:
　　(1)介紹硅微陀螺儀的國內(nèi)外發(fā)

2、展現(xiàn)狀、抗沖擊性能研究現(xiàn)狀，以及基本工作原理和動力學方程，對陀螺儀的驅(qū)動和檢測方式進行分析。
　　(2)設(shè)計具有較高抗沖擊能力的硅微陀螺儀結(jié)構(gòu)。確定合適的結(jié)構(gòu)形式，建立硅微陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)的沖擊響應模型，詳細研究硅微陀螺儀沖擊響應與結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的關(guān)系以及硅微陀螺儀沖擊響應與沖擊載荷特征參數(shù)的關(guān)系。根據(jù)所得關(guān)系，選擇合適的驅(qū)動檢測方式，設(shè)計支撐梁結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方向枉桿耦合機構(gòu)、檢測方向耦合機構(gòu)，進而完成結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計;設(shè)計柔性止擋機構(gòu)，進

3、一步提高陀螺儀的抗沖擊能力。借助ANSYS軟件進行模態(tài)仿真，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)得到合適的模態(tài)頻率，并根據(jù)參數(shù)值進行理論計算。
　　(3)利用有限元仿真軟件ANSYS對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行仿真分析。主要從瞬態(tài)仿真、重力仿真、諧響應仿真以及封裝熱應力仿真等方面來對結(jié)構(gòu)進行分析并驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。其中，瞬態(tài)仿真包括有無止擋機構(gòu)的抗沖擊能力仿真、加工誤差對硅微陀螺儀沖擊響應的影響分析;諧響應仿真包括驅(qū)動方向諧響應分析以及檢測方向諧響應分析;封裝熱

4、應力仿真包括封裝過程中400℃高溫下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)熱應力仿真以及從400℃高溫降至20℃室溫時結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余熱應力仿真。
　　(4)硅微陀螺儀采用DDSOG工藝加工，并對加工好的硅微陀螺儀裸表頭進行測試，大氣壓下開環(huán)測試結(jié)果為:驅(qū)動頻率12630Hz，檢測頻率12772Hz，驅(qū)動同相頻率為12920Hz，檢測同相頻率為13019Hz。測試結(jié)果與設(shè)計值基本一致;結(jié)構(gòu)驅(qū)動方向上的同相振動模態(tài)的固有頻率比反相振動模態(tài)的固有頻率高290Hz，符