硅微慣性敏感器設(shè)計分析與數(shù)值模擬研究.pdf

1、硅微慣性敏感器作為一類新興的微型機電系統(tǒng)(MEMS)，具有廣泛的軍事應(yīng)用背景和巨大的商業(yè)價值。硅微慣性敏感器的制作多數(shù)采用與集成電路相兼容的半導(dǎo)體加工工藝，制造工藝尚不成熟，設(shè)計理論也不完善，目前仍處于探索階段。計算機輔助工程(CAE)是目前發(fā)達(dá)國家在進(jìn)行高層次產(chǎn)品設(shè)計中普遍采用的先進(jìn)工程分析計算方法。借助先進(jìn)的計算機軟、硬件，和數(shù)值仿真算法程序，可為設(shè)計者提供直接的“虛擬樣機”模型和計算機實驗數(shù)據(jù)。在設(shè)計階段模擬產(chǎn)品的實時工作狀況，及

2、時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的設(shè)計缺陷，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并能在設(shè)計階段較準(zhǔn)確的檢驗產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)，顯著減少設(shè)計與制造成本。本文嘗試應(yīng)用CAE技術(shù)，采用有限元方法，進(jìn)行硅微慣性敏感器設(shè)計分析和數(shù)值模擬研究 1.硅微慣性敏感器結(jié)構(gòu)有限元模型的建立。針對硅微慣性敏感器的結(jié)構(gòu)特點，采用三維實體單元，建立了Ⅰ型、Ⅱ型單自由度振動輪式陀螺儀，兩自由度振動輪式陀螺儀和硅微折疊梁式加速度計的結(jié)構(gòu)有限元模型：采用平板薄殼單元建立了硅微扭擺式加速度計的有限元模

3、型。 2.硅微慣性敏感器的模態(tài)分析和剛度設(shè)計。通過模態(tài)分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，確定了符合模態(tài)振型和頻率要求的Ⅰ型、Ⅱ型單自由度陀螺儀和兩自由度振動輪式陀螺儀的結(jié)構(gòu)尺寸和剛度。硅微扭擺式加速度計的模態(tài)分析結(jié)果表明，其工作頻率較低，使用范圍受到限制：而折疊梁式加速度計的工作頻率大大提高，通頻帶較寬。提出了用于評價隔離式振動輪式陀螺儀模態(tài)耦合程度的解耦系數(shù)。針對振動輪式陀螺儀支承梁部分剛度設(shè)計的難點，提出采用經(jīng)驗公式來進(jìn)行計算。通過大量仿真，

4、得到了在典型的長度，寬度和厚度條件下支承梁的剛度計算經(jīng)驗公式的修正系數(shù)。研究了修正系數(shù)與結(jié)構(gòu)各尺寸參數(shù)的變化規(guī)律，大大提高了設(shè)計效率。 3.硅微慣性敏感器動響應(yīng)分析。系統(tǒng)對Ⅰ、Ⅱ型陀螺儀，兩自由度陀螺儀和兩種硅微加速度計進(jìn)行了的動響應(yīng)研究。分析比較了在不同沖擊加速度下的結(jié)構(gòu)動響應(yīng)，確定了各型陀螺儀，加速度計的最大耐沖擊能力。研究了振動輪式陀螺儀諧振頻率和靈敏度的關(guān)系。計算結(jié)果表明驅(qū)動模態(tài)頻率和敏感模態(tài)頻率微小的頻率差將大大降低陀

5、螺儀的靈敏度。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率可較大幅度提高振動輪式陀螺儀的靈敏度。該方法簡單可行，但提高靈敏度的效果是有限的。論文指出解決此問題的根本方法是實現(xiàn)兩個 頻率的動態(tài)匹配。在有限元模型上模擬并驗證了采用直流偏置電壓調(diào)整法可調(diào)節(jié)敏感模態(tài)的諧振頻率，使之與驅(qū)動模態(tài)諧振頻率動態(tài)匹配，從而使陀螺儀靈敏度達(dá)到理想的最人值。定最計算了型陀螺儀諧振頻率和靈敏度與直流偏置電壓的關(guān)系，確定了達(dá)到完全振所需加載的直流電壓值。研究了振動輪式陀螺儀的線性特征，構(gòu)造

6、了有限元求解的迭代算法，定量計算表明振動輪式陀螺儀隨輸入角速度變化而產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性輸出。提出采用自動增益控制(AGC)方法控制驅(qū)動幅值以消除非線性影響。 4.硅微慣性敏感器靜電場問題分析。立了硅微振動輪陀螺儀叉齒驅(qū)動的靜電場有限元模型，得到了型陀螺儀梳狀驅(qū)動器的靜電驅(qū)動力矩的數(shù)值解。數(shù)值計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)電場貯能與角位移成線性關(guān)系，靜電驅(qū)動力的大小與角位移無關(guān)；當(dāng)動齒和靜齒電極端部很接近時，靜電吸力劇幅增加，呈現(xiàn)明顯的非

7、線性特征．指出對于I型陀螺儀的叉齒，周向位移的允許值δ<,peam>．為最大周向間隙δ<,max>的2/3。同時進(jìn)一步討論了數(shù)值解的精度問題，證明了基于電場貯能的算法精度最高。研究并定量計算了阻尼孔對電容信號器的影響，發(fā)現(xiàn)開設(shè)適當(dāng)?shù)淖枘峥讓π盘柶麟娙萘康挠绊懯怯邢薜摹Ｖ灰に囋试S，在相同面積比下，孔的密度越大，電容損失越小，因此提出采用骨架型結(jié)構(gòu)．研究分析了靜電驅(qū)動的“懸浮”效應(yīng)，提出了計算振動輪式諧振器靜電懸浮力的近似計算公式，定量計

8、算了型陀螺儀梳狀驅(qū)動器的總靜電懸浮力。由此指出梳齒驅(qū)動電極布置的對稱性特別是相對于輸出軸的對稱性十分重要。當(dāng)梳狀電極用于閉環(huán)檢測時．必須考慮懸浮效應(yīng)，不能隨意布置。 5.溫度對硅微慣性敏感器性能的影響研究。分析了溫度變化引起的硅材料主要特性的變化。采用間接耦合法，在0 ℃100 ℃范圍內(nèi)定量計算了I型陀螺儀的驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)的固有頻率，以及驅(qū)動角振幅的變化。分析計算了在硅-硅鍵合和硅-玻璃鍵合兩種情況下的熱應(yīng)力。采用應(yīng)力釋放槽