全對稱雙級解耦微機械振動式陀螺研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、本文在建立全對稱雙級解耦微機械振動式陀螺理論模型的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了器件的動力學(xué)特性。提出一種新穎的全對稱雙級解耦微機械振動式陀螺儀結(jié)構(gòu),利用體硅微機械加工技術(shù)實現(xiàn)了敏感結(jié)構(gòu)芯片的制備,并進行了相應(yīng)實驗研究和特性測試工作。
  首先,工作帶寬是微機械陀螺應(yīng)用的一個重要指標,現(xiàn)有理論認為帶寬和靈敏度是一對矛盾,將帶寬簡單定義為驅(qū)動頻率與檢測模態(tài)諧振頻率之差。本文基于全對稱雙級解耦微機械振動式陀螺的理論模型,系統(tǒng)研究了器件的動力學(xué)特性

2、,得出了工作帶寬與頻率匹配度以及檢測模態(tài)品質(zhì)因子有關(guān)的結(jié)論。當(dāng)角速度的頻率等于驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)諧振頻率之差時,靈敏度最大;保持驅(qū)動模態(tài)品質(zhì)因子一定,改變檢測模態(tài)品質(zhì)因子Qy時,Qy存在一個臨界值使檢測方向峰值位移也滿足3dB帶寬的要求,大大擴展了陀螺的工作帶寬。
  其次,提出了一種全對稱雙級解耦微機械振動式陀螺結(jié)構(gòu)并利用體硅微機械加工技術(shù)制備了敏感結(jié)構(gòu)芯片,該陀螺能實現(xiàn)模態(tài)頻率匹配的同時降低模態(tài)之間的耦合。采用全對稱結(jié)構(gòu),驅(qū)動

3、模態(tài)和檢測模態(tài)諧振頻率容易匹配;雙級解耦結(jié)構(gòu)有效降低了驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)之間的耦合;驅(qū)動梳齒和檢測梳齒均采用滑膜阻尼結(jié)構(gòu),在常壓下也能獲得較高品質(zhì)因子。考慮耦合彈性系數(shù),建立器件的無阻尼自由振動模型以獲得結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率和振型。求解結(jié)果表明模態(tài)之間的耦合僅為1.56%,驅(qū)動和檢測模態(tài)諧振頻率均為2966.9Hz。應(yīng)用ANSYS對微機械陀螺的模態(tài)頻率進行了有限元求解,理論求解與有限元求解結(jié)果吻合較好。
  最后,基于對微機械陀螺動態(tài)特性

4、的分析,設(shè)計了微陀螺開環(huán)檢測接口電路。電路主要由C-V轉(zhuǎn)換電路、高/低通濾波器、移相器以及相敏解調(diào)電路構(gòu)成。采用所設(shè)計的開環(huán)檢測微機械陀螺接口電路,對微機械陀螺模態(tài)特性、溫度特性以及靈敏度等項目進行了測試。構(gòu)建了顯微鏡測試平臺對微機械陀螺非線性振動進行了測試。測試結(jié)果表明,驅(qū)動模態(tài)產(chǎn)生非線性振動時,諧振頻率隨振幅增大而增大。模態(tài)測試結(jié)果表明器件的頻率匹配良好,諧振頻率分布在2300Hz~2500Hz,與按照實際器件彈性梁寬度計算的諧振頻

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