气压与温度对MEMS多环陀螺Q值的影响研究

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作为MEMS技术的一个重要应用领域,MEMS陀螺以其低成本、体积小、可靠性高、功耗低等优点,已广泛应用于汽车、电子以及航空航天等各个领域,是各国关注的重点研究技术之一。MEMS多环陀螺是MEMS陀螺家族中固体波动陀螺的新成员,凭借其极佳的分辨率,较高的灵敏度,良好的温度特性,已经成为最具有高性能应用潜力的陀螺类型。在MEMS多环陀螺的工作过程中,品质因数(Q值)是衡量其动力学特性的关键指标,而能量耗散是影响其品质因数的重要因素。能量耗散的主要表现形式为阻尼,空气阻尼、热弹性阻尼、锚点阻尼是其中最主要的三种阻尼。由于MEMS多环陀螺单锚点的结构设计使其锚点阻尼远小于其他两种阻尼,因此本文只针对空气阻尼和热弹性阻尼进行研究。气压与温度分别是多环陀螺空气阻尼和热弹性阻尼中的关键影响因素,因此论文针对气压与温度对多环陀螺Q值影响进行相关研究。首先分析了MEMS多环陀螺的工作原理,完成了陀螺结构和模态研究,推导了陀螺的机电接口参数,为后续驱动闭环电路设计打下基础。其次通过比较选取了ring-down法作为Q值测试方法,利用Simulink模块实现了多环陀螺驱动闭环电路行为级仿真,完成了基于自动增益控制原理的多环陀螺驱动闭环电路设计,此电路可作为Q值测试电路。然后完成了气压对Q值的影响实验研究,得出真空封装技术对于保持多环陀螺高Q值的必要性以及0.04 Pa以下空气阻尼的比重可以忽略不计。最后研究了单环的热弹性阻尼理论,利用有限元软件COMSOL实现了全温范围内多环QTED仿真研究,完成了温度对Q值的实验研究,并得出热弹性阻尼在多环陀螺总阻尼中占有最大比重的结论。
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