提高硅微陀螺儀性能若干關(guān)鍵技術(shù)研究——正交誤差與雜散電容分析研究.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(guò)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，硅微機(jī)械陀螺儀還主要用于中低精度場(chǎng)合，由于高精度應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)其的需求，所以需要研發(fā)出高性能硅微機(jī)械陀螺儀。硅微機(jī)械陀螺儀一般是一次成型，無(wú)法修正，且相對(duì)誤差較大

2、，這對(duì)硅微機(jī)械陀螺儀的性能有很大的影響。因此，合理的設(shè)計(jì)陀螺儀結(jié)構(gòu)，使加工誤差對(duì)陀螺儀性能有較小的影響，則顯得更為重要。本論文以提高硅微機(jī)械陀螺儀性能為目的，對(duì)正交誤差以及機(jī)電接口間的雜散電容進(jìn)行了研究與分析，研究的主要內(nèi)容如下： (1)正交誤差的理論分析正交誤差主要是由原理性誤差和加工誤差引起的。根據(jù)硅微機(jī)械陀螺儀的動(dòng)力學(xué)方程式分析了原理性誤差，并以剛度矩陣?yán)碚摓榛A(chǔ)詳細(xì)分析了由加工引起的正交誤差，結(jié)果表明由加工產(chǎn)生的正交誤差

3、遠(yuǎn)大于原理性正交誤差。指出減小支承梁和彈性系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和敏感方向的耦合剛度系數(shù)可大大減小由加工帶來(lái)的正交誤差。 (2)支承梁的設(shè)計(jì)原則利用能量法，推導(dǎo)了折疊梁的剛度系數(shù)，并提出了其設(shè)計(jì)原則。列舉了蟹角梁、U形梁以及方波梁的結(jié)構(gòu)形式和剛度公式，并總結(jié)了剛度公式的一般規(guī)律。從減小正交誤差的角度，給出了硅微機(jī)械陀螺儀支承梁的設(shè)計(jì)原則。 (3)機(jī)電接口模型的分析根據(jù)硅微機(jī)械陀螺儀的加工版圖，分析機(jī)電接口間的電容、電阻，并根據(jù)版圖結(jié)

4、構(gòu)和電容分布情況，建立了硅微機(jī)械陀螺儀的機(jī)電接口模型。對(duì)機(jī)電接口模型中的電容、電阻詳細(xì)地進(jìn)行了理論分析，指出雜散電容和電阻與有用信號(hào)之間的關(guān)系。最后，根據(jù)分析結(jié)果提出了布線(xiàn)原則。 (4)z軸硅微機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)改進(jìn)以z軸硅微機(jī)械陀螺儀SZGl的力學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立了有加工誤差時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程式和正交誤差的數(shù)學(xué)模型，得出正交誤差與剛度系數(shù)以及品質(zhì)因數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)原有的折疊梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化，并提出了橫梁組件的設(shè)計(jì)原則。完全對(duì)稱(chēng)

5、布置陀螺儀的引線(xiàn)，并采用新工藝進(jìn)行加工，以減小機(jī)電接口噪聲。 (5)仿真與實(shí)驗(yàn)首先根據(jù)模態(tài)分析和動(dòng)力學(xué)分析的基本理論，對(duì)SZG1-2<'＃>陀螺儀進(jìn)行了模態(tài)分析，并在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)SZGl-1<'＃>和SZGl-2<'＃>陀螺儀進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，得出相同加工誤差時(shí)的正交位移。設(shè)計(jì)并研制了SZGl-2<'＃>陀螺儀樣品，分別對(duì)SZGl-1M<'＃>和SZGl-2<'＃>陀螺儀樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了SZGl-1<'

6、＃>和SZGl-2<'＃>驅(qū)動(dòng)軸的幅頻特性，計(jì)算了驅(qū)動(dòng)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)。采集了零輸入時(shí)，SZGl-1<'＃>和SZGl-2<'＃>輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器后的輸出以及最后的直流輸出，本文主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，針對(duì)減小正交誤差和雜散電容，提出了相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，它們對(duì)硅微機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高陀螺儀性能的方法相對(duì)其它方法具有耗資少、周期短等特點(diǎn)。影響硅微機(jī)械陀螺儀性能的因素很多，如加工、結(jié)構(gòu)、電路、封裝等。因此，