双质量硅微机械陀螺耦合误差机理研究

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硅微机械陀螺是一种利用科氏效应敏感物体转动角速率的微机电系统(MEMS)惯性传感器。以其体积小、质量轻、低成本、低功耗等优点广泛地应用于汽车稳定系统、图像稳定系统、机器人和其它军事及民用领域。随着硅微机械陀螺性能的不断提升,其应用范围变广,环境变得更加恶劣。微机械加工工艺的相对误差较大,限制了硅微机械陀螺仪性能的发展。对温度变化的敏感性则限制了高性能硅微机械陀螺的应用范围,因此研究硅微陀螺仪机械耦合误差的产生机理以及温度变化对硅微机械陀螺的影响,将为硅微陀螺仪的结构设计提供理论依据。本文以课题组自主设计的双质量硅微机械陀螺为研究对象,分析加工误差以及温度变化对硅微机械陀螺耦合误差的影响机理。研究的主要内容如下:(1)双质量硅微机械陀螺的系统建模根据双质量硅微机械陀螺振型的特点,分析了各个梁在各阶振型中的贡献,得到了双质量硅微机械陀螺的多模态频率模型。接着用有限元仿真软件ANSYS进行了仿真验证,结果表明,理论和仿真的误差为7%。然后根据双质量硅微机械陀螺的结构特点,建立了多自由度结构动力学模型,并采用模态解耦和求逆矩阵法对其进行求解,得到了双质量硅微机械陀螺的位移灵敏度。(2)加工误差对正交耦合系数的影响机理分析首先讨论了梳齿间隙误差和锚点位移误差对正交耦合系数的影响机理。然后引入节点区域刚度,改进了梁宽误差对正交耦合系数影响的理论模型。分析表明,引入节点区域刚度后,对于本身存在耦合刚度的支撑梁系统精度提高了8%,而对本身不存在耦合刚度的支撑梁系统,节点区域刚度是不等梁宽影响正交耦合系数的主要原因,并对节点区域刚度进行了仿真验证。最后建立了内驱动外检测和外驱动内检测两种类型的陀螺对耦合力的灵敏度模型,并对其进行对照,结果表明外检测内驱动陀螺对耦合力的灵敏度较低。最后通过仿真和实验验证了理论分析的其可靠性。(3)温度变化对硅微机械陀螺的影响分析采用Timoshenko提出的基于经典梁理论的分层分析方法对双质量硅微机械陀螺封装结构进行了分析,得到了锚点层应变的温度系数。结合硅微机械陀螺本身的结构特征,通过建立力平衡方程得到了梳齿间隙的温度系数,并对其进行了仿真验证。最后利用谐振器频率和应力关系的直观性,设计实验验证了锚点层应变的温度系数。根据陀螺驱动闭环的工作原理,对梳齿间隙的温度系数进行了实验验证。
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