MEMS電容式陀螺儀的設(shè)計(jì)

文/張瓊

MEMS電容式陀螺儀的設(shè)計(jì)

文/張瓊

本文設(shè)計(jì)了一種靜電梳齒驅(qū)動(dòng)、差分電容檢測的MEMS陀螺儀，結(jié)構(gòu)采用雙質(zhì)量塊對(duì)稱設(shè)計(jì)，能夠有效抑制軸向加速度的干擾。利用Ansys對(duì)MEMS陀螺儀進(jìn)行了仿真分析，在模態(tài)仿真中分析了陀螺結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型；在靜態(tài)仿真中，分析了陀螺結(jié)構(gòu)在X方向、Y方向及Z方向受到50G沖擊載荷時(shí)的應(yīng)力分布情況，保證了彈性梁等危險(xiǎn)區(qū)域可以承受一定的沖擊載荷。

MEMS陀螺儀 Ansys仿真 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 引言

陀螺儀是測量角速度的慣性器件，由微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)所加工的微機(jī)械陀螺儀在體積、重量和功耗上的優(yōu)勢，使其能在許多應(yīng)用領(lǐng)域可以有廣泛的應(yīng)用。多年來，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，理論上的一系列研究及加工技術(shù)的進(jìn)步，MEMS陀螺儀取得了更好的進(jìn)展。本文設(shè)計(jì)了一種靜電梳齒驅(qū)動(dòng)、差分電容檢測的MEMS陀螺儀，結(jié)構(gòu)采用雙質(zhì)量塊對(duì)稱設(shè)計(jì)，能夠有效抑制軸向加速度的干擾。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，x軸為驅(qū)動(dòng)方向、y軸為檢測方向，結(jié)構(gòu)采用雙質(zhì)量塊對(duì)稱設(shè)計(jì),靜電梳齒驅(qū)動(dòng)，圖1中1、4、7部分為左、右驅(qū)動(dòng)器及中間驅(qū)動(dòng)器，在固定梳齒的驅(qū)動(dòng)下，可動(dòng)梳齒受到周期性的作用力，從而使質(zhì)量塊1、質(zhì)量塊2在作周期性的受迫振動(dòng)，其振動(dòng)位移與驅(qū)動(dòng)量成正比，使陀螺儀可以有較好的線性度。

當(dāng)MEMS陀螺儀處于正常的工作狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊1與質(zhì)量塊2在靜電梳齒的驅(qū)動(dòng)下沿水平X方向做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)有Z方向角速度 輸入時(shí)，兩檢測質(zhì)量塊1、2在哥氏力的作用下沿Y方向做反方向振動(dòng)，檢測電容C1、C2改變，C1、C2變化量大小相同、方向相反，并與角速度信號(hào)成正比。因此通過檢測電容C1、C2的變化量，就可以得到Z方向輸入的角速度 。

對(duì)于單質(zhì)量塊陀螺儀，軸向加速度會(huì)對(duì)其工作帶來嚴(yán)重的干擾，本文所設(shè)計(jì)的MEMS陀螺儀對(duì)于軸向加速度可以很好的抑制。

當(dāng)陀螺儀工作時(shí)，兩個(gè)質(zhì)量塊在固定梳齒的激勵(lì)下相對(duì)運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量塊1和質(zhì)量塊2的運(yùn)動(dòng)方程為：

表1：單晶硅的材料參數(shù)

當(dāng)陀螺儀受到X方向的加速度時(shí)，兩個(gè)質(zhì)量塊在其作用下，運(yùn)動(dòng)方程為：

當(dāng)系統(tǒng)有角速度Ω輸入時(shí)，哥氏力大小為：

因此在兩個(gè)檢測質(zhì)量塊上耦合的加速度為：

由式（6）和（7）可以看出，兩個(gè)檢測質(zhì)量塊受到的加速度分為兩部分，第一部分為設(shè)計(jì)所需要的部分，它們?cè)趦蓚€(gè)式（4）和（5）中的相位相反；第二部分為系統(tǒng)加速度引起的干擾項(xiàng)，它們?cè)诜匠讨械姆?、相位相同。由于差分檢測電容反相位信號(hào)會(huì)相疊加，同相位信號(hào)相互抵消，可以抑制X方向的加速度干擾信號(hào)。

當(dāng)陀螺儀受到Y(jié)方向（或Z方向）的加速度時(shí)，由圖1的結(jié)構(gòu)可以看出，C1、C2同時(shí)增大或減小相同的值，差分檢測電容使輸出不受加速度信號(hào)的影響。

由以上分析可知，MEMS電容式陀螺儀能夠很好的抑制軸向加速度的干擾。

3 仿真分析

3.1 模態(tài)仿真分析

Ansys模態(tài)仿真分析可以確定MEMS 陀螺儀的模態(tài)參數(shù)。MEMS 陀螺儀仿真所用的材料屬性設(shè)定如表1所示。

運(yùn)用Ansys15.0對(duì)MEMS 陀螺儀進(jìn)行了六階模態(tài)分析，得到前六階模態(tài)頻率如表2所示。

圖2為MEMS 陀螺儀的一階驅(qū)動(dòng)模態(tài)，圖3為二階檢測模態(tài)，兩工作模態(tài)頻率相差169.9Hz，可以滿足陀螺對(duì)頻率匹配要求，前兩階工作振型頻率高于2000Hz ，可以使陀螺不容易受到環(huán)境噪聲(< 2000Hz )的干擾。

3.2 靜態(tài)仿真分析

Ansys靜態(tài)仿真是用于分析陀螺儀在靜力載荷作用下應(yīng)力情況，保證彈性梁等危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)可以承受一定的沖擊載荷。仿真時(shí)在結(jié)構(gòu)的X方向施加50G的載荷時(shí)，其應(yīng)力分布云圖如圖4所示，其最大應(yīng)力為7.13 MPa，危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)轵?qū)動(dòng)梁的末端；在結(jié)構(gòu)的Y方向施加50G的載荷時(shí)，其應(yīng)力分布云圖如圖5所示，其最大應(yīng)力為6.64 MPa，危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)闄z查梁的末端及轉(zhuǎn)折部分；在結(jié)構(gòu)的Z方向施加50G的載荷時(shí)，其應(yīng)力分布云圖如圖6所示，其最大應(yīng)力為1.74 MPa，危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)轵?qū)動(dòng)梁的轉(zhuǎn)折部分，各個(gè)方向的最大應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅的許用應(yīng)力。

通過以上分析可以得到，本文所設(shè)計(jì)的MEMS陀螺儀可以承受一定的沖擊。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種靜電梳齒驅(qū)動(dòng)、差分電容檢測的MEMS陀螺儀，結(jié)構(gòu)采用雙質(zhì)量塊對(duì)稱設(shè)計(jì)，采用x軸方向驅(qū)動(dòng)、y軸方向檢測的工作方式，能夠有效抑制軸向加速度的干擾。利用Ansys對(duì)MEMS陀螺儀進(jìn)行了模態(tài)與靜態(tài)仿真分析，驗(yàn)證了MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)的合理性。

圖1：MEMS電容式陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：陀螺結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)云圖

圖3：陀螺結(jié)構(gòu)的第二階模態(tài)云圖

圖4：X方向施加50G載荷時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

圖5：Y方向施加50G載荷時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

圖6：Z方向施加50G載荷時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

[1]Said Emre Alper,Tayfun Akin*. Symmetrical and decoupled nickel Microgyroscope on insulating substrate[J].Sensors and Actuators AIIS,2004：336-350.

[2]Said Emre Alper*,Kanber Mithat Silay, Tayfun Akin.A LOW cost rate grade nickel Microgyroscope[J].Sensors and Actuators A132,2006：171-181.

[3]許昕，何杰等.微機(jī)械陀螺儀的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].壓電與聲光,2014,36(04)：588-595.

[4]馬宗敏.單芯片集成雙慣性器件研究[D].太原：中北大學(xué),2008.

[5]熊斌.柵結(jié)構(gòu)微機(jī)械振動(dòng)式陀螺儀[D].江蘇：東南大學(xué),2001.

[6]管繼平.梳狀音叉雙線振動(dòng)硅微機(jī)械陀螺儀的技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué),2011.

[7]譚秋林，石云波等.具有柵結(jié)構(gòu)與靜電梳齒驅(qū)動(dòng)的電容式微機(jī)械陀螺的仿真、設(shè)計(jì)與測試[J].納米技術(shù)與精密工程,2011,09(03)：207-211.

[8]朱一綸,王壽容,裘安萍.微機(jī)械諧振陀螺的有限元分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2004,34(01)：38-41.

作者單位 忻州師范學(xué)院 山西省忻州市 034000

張瓊（1983-），女，山西省忻州市人。碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)，傳感技術(shù)。