硅微三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

蔡 麒，趙 勇，劉 立，曹慧亮，石云波，趙 銳

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2.中國兵器工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所，北京100089;3.錦州七七七微電子有限責(zé)任公司，錦州121001)

0 引言

將傳感器集成在傳統(tǒng)火炮彈藥引信上可實(shí)現(xiàn)彈藥的智能化,根據(jù)傳感器敏感的物理量不同,智能彈藥能達(dá)到不同的軍事目的。三軸(X、Y、Z)陀螺可以為彈藥提供三維姿態(tài),這是慣性制導(dǎo)的必要條件[1-4]。因此,開發(fā)可用于智能彈藥的陀螺是智能彈藥實(shí)現(xiàn)慣性制導(dǎo)的重中之重。

當(dāng)前,用于同時(shí)測(cè)量三個(gè)軸向角速率信息的陀螺主要有采用三個(gè)正交放置的單軸陀螺集成的陀螺和單片單結(jié)構(gòu)的三軸陀螺。但是,具有正交放置的集成三軸陀螺[5-6]具有集成度低、裝配誤差大和系統(tǒng)體積大的缺點(diǎn)；單片單結(jié)構(gòu)的三軸陀螺[7-12]結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工困難,模態(tài)間耦合嚴(yán)重。因此,這兩種類型的陀螺均不適用于彈藥的三維姿態(tài)檢測(cè)。

本文提出了一種新型硅微三軸輪環(huán)陀螺,它采用單芯片多結(jié)構(gòu)陀螺陣列方法將兩個(gè)陀螺結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)芯片上。該陀螺結(jié)構(gòu)簡單,易于加工,解耦簡單,體積小且易于防護(hù)。它可以有效地為彈藥提供三維姿態(tài),實(shí)現(xiàn)彈藥的智能化。本文建立了該陀螺結(jié)構(gòu)的有限元模型,并進(jìn)行了振動(dòng)特性分析和瞬態(tài)沖擊響應(yīng)分析,證明了該陀螺具有良好的振動(dòng)特性和抗沖擊性。

1 硅微三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到彈丸的大小和彈丸在發(fā)射過程中的高過載環(huán)境,本文設(shè)計(jì)的陀螺結(jié)構(gòu)應(yīng)具有體積小、抗沖擊性能好的特點(diǎn)。本文提出的陀螺是通過單片輪環(huán)結(jié)構(gòu)陀螺陣列實(shí)現(xiàn)的,這兩種結(jié)構(gòu)通過嵌套集成在一個(gè)芯片上,以進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)體積。如圖1所示,輪式結(jié)構(gòu)完全嵌套在環(huán)形結(jié)構(gòu)的中間,這兩個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)立工作且不會(huì)相互影響。在參考其他文獻(xiàn)和仿真的基礎(chǔ)上,結(jié)構(gòu)的厚度初步確定為100μm,環(huán)的半徑為3000μm,X軸檢測(cè)框架的半徑為 2500μm,Y軸檢測(cè)框架的半徑為1200μm。

輪式結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外由Y軸檢測(cè)框架(內(nèi)圓柱框架,進(jìn)行XOY平面外運(yùn)動(dòng),繞OX軸扭曲,用于檢測(cè)Y軸輸入角速度)、Y-驅(qū)動(dòng)撓性接頭(用于支撐內(nèi)部框架)、輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)框架(中圓柱殼框架,通過四個(gè)支撐梁與四個(gè)完全對(duì)稱的錨點(diǎn)相連,以支撐整個(gè)結(jié)構(gòu))、X-驅(qū)動(dòng)撓性接頭(用于支撐外部框架)和X軸檢測(cè)框架(外圓柱殼框架,進(jìn)行XOY平面外運(yùn)動(dòng),繞OY軸扭曲,用于檢測(cè)X軸輸入角速度)組成。采用的環(huán)形固體波動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)由八個(gè)對(duì)稱錨點(diǎn)及S型折疊梁支撐中間的環(huán)形諧振結(jié)構(gòu),對(duì)稱的結(jié)構(gòu)有利于應(yīng)力釋放,中間的環(huán)形結(jié)構(gòu)采用四波腹工作原理,具有良好的抗沖擊性能。

2 振動(dòng)特性分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以用來確定陀螺結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,如固有頻率、振型、振動(dòng)平穩(wěn)性等。首先,利用SolidWorks軟件建立陀螺結(jié)構(gòu)的整體模型,利用ANSYS軟件建立有限元模型。然后,再進(jìn)行模態(tài)分析,提取工作模態(tài)的仿真結(jié)果。圖2為陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的模態(tài)分析結(jié)果,前十階模態(tài)的振動(dòng)特性及固有頻率如表1所示。

圖2 三軸陀螺驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)圖Fig.2 Drive and detection modal diagram of the triaxial gyroscope

表1 三軸陀螺前十階模態(tài)固有頻率Table 1 The first ten modal natural frequencies of the triaxial gyroscope

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,工作模態(tài)和干擾模態(tài)之間的頻差需要盡可能大,以減少模態(tài)之間的干擾。當(dāng)驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的固有頻率完全相同時(shí),陀螺的靈敏度最高,但是會(huì)導(dǎo)致帶寬降低。因此,驅(qū)動(dòng)頻率和檢測(cè)頻率也需要一定的頻率差[13]。由圖2和表1可以看出,陀螺的工作模態(tài)比較集中,它的諧振頻率與干擾模式的諧振頻率相距較遠(yuǎn),避免了干擾模態(tài)對(duì)陀螺工作的影響。同時(shí),陀螺的Z軸驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)之間的頻率差很小(1Hz),而輪式結(jié)構(gòu)陀螺X軸和Y軸的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)之間的頻率差分別為120Hz和121Hz,極大地提高了陀螺的機(jī)械靈敏度?？梢钥闯?陀螺結(jié)構(gòu)不僅可以遠(yuǎn)離環(huán)境振動(dòng)的干擾,而且可以在較高靈敏度的基礎(chǔ)上保證帶寬,從而達(dá)到較高的抗高過載性能。

2.2 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是一種特殊的時(shí)域分析方法,用于分析持續(xù)的周期載荷在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生的持續(xù)周期響應(yīng),并確定結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按簡諧規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。陀螺諧振器結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析的主要目的是計(jì)算結(jié)構(gòu)在靜電力作用下的位移響應(yīng),并獲得陀螺諧振器結(jié)構(gòu)的幅頻響應(yīng)曲線。經(jīng)過掃頻仿真分析之后,觀察陀螺諧振子在何頻率點(diǎn)出現(xiàn)諧振峰值,并獲得該峰值的大小。

在模態(tài)仿真的基礎(chǔ)上,針對(duì)各個(gè)工作模態(tài),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析:在結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)位置上施加正弦力,觀察結(jié)構(gòu)檢測(cè)模態(tài)的位移,可得到輪式結(jié)構(gòu)的X軸檢測(cè)模態(tài)(第四階模態(tài),10166.0Hz)、Y軸檢測(cè)模態(tài)(第五階模態(tài),10205.0Hz)和環(huán)形Z軸檢測(cè)模態(tài)(第七階模態(tài),10321.0Hz)的位移,如圖3、圖4和圖5所示。仿真結(jié)果顯示,在各模態(tài)的諧振頻率范圍內(nèi)均只有唯一值,且X軸、Y軸檢測(cè)位移較大(說明結(jié)構(gòu)具有較好的機(jī)械靈敏度),Z軸檢測(cè)位移較小(反映出Z軸靈敏度較低、量程較大)。

圖3 X軸檢測(cè)方向幅頻響應(yīng)曲線Fig.3 Amplitude-frequency response curve of X-axis detection direction

圖4 Y軸檢測(cè)方向幅頻響應(yīng)曲線Fig.4 Amplitude-frequency response curve of Y-axis detection direction

圖5 Z軸檢測(cè)方向幅頻響應(yīng)曲線Fig.5 Amplitude-frequency response curve of Z-axis detection direction

3 抗沖擊特性分析

在特定領(lǐng)域應(yīng)用時(shí),陀螺需要經(jīng)受一定程度的瞬態(tài)加速度沖擊,這類沖擊載荷作用時(shí)間短、峰值高、變化快,使得陀螺產(chǎn)生很大的沖擊應(yīng)力,容易損壞諧振結(jié)構(gòu)。本文采用半正弦脈沖模擬陀螺實(shí)際過載情形,采用ANSYS的瞬態(tài)分析模塊進(jìn)行仿真。

大多數(shù)常規(guī)火炮發(fā)射的彈藥在使用過程中要經(jīng)歷膛內(nèi)發(fā)射沖擊階段,沖擊的方向主要在Z軸方向,因此設(shè)計(jì)的陀螺在Z軸方向需要有良好的抗高過載能力。在陀螺諧振結(jié)構(gòu)的Z軸方向施加5000g@5ms的半正弦周期沖擊載荷,諧振子結(jié)構(gòu)的位移云圖如圖6(a)所示,諧振子結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6(b)所示。由圖6(a)可知,在5000g@5ms沖擊條件下的最大位移出現(xiàn)在環(huán)形結(jié)構(gòu)上,其最大位移為 14.1μm。而環(huán)形結(jié)構(gòu)與基底的距離為50μm,因此在5000g的沖擊下產(chǎn)生的位移不會(huì)導(dǎo)致敏感結(jié)構(gòu)與基底粘連。由圖6(b)可知,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為190.38MPa,遠(yuǎn)低于硅結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力(790MPa),且最大應(yīng)力點(diǎn)分布在輪式結(jié)構(gòu)的支撐梁靠近錨點(diǎn)部分,說明該結(jié)構(gòu)具有較好的抗沖擊特性。

圖6 Z軸承受5000g條件下的結(jié)構(gòu)位移云圖及應(yīng)力云圖Fig.6 Displacement and stress nephogram of Z-axis under the condition of 5000g

4 結(jié)論

為了開發(fā)可以用于智能彈藥領(lǐng)域的陀螺,本文提出了一種新型的基于輪-環(huán)形式的單片三軸MEMS陀螺結(jié)構(gòu),在ANSYS有限元分析軟件中建立了該三軸陀螺結(jié)構(gòu)的有限元模型,并分別進(jìn)行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析以及瞬態(tài)沖擊響應(yīng)分析。仿真分析結(jié)果表明,該三軸陀螺工作模態(tài)與干擾模態(tài)的頻差較大,驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)的頻差較小,既可以遠(yuǎn)離環(huán)境振動(dòng)的干擾,又能保持較高的靈敏度。該陀螺結(jié)構(gòu)在5000g@5ms瞬態(tài)沖擊作用下的最大應(yīng)力為190.38MPa,遠(yuǎn)小于硅的極限許用應(yīng)力,證明該陀螺結(jié)構(gòu)在抗沖擊方面有較好的性能。