硅微陣列陀螺儀的仿真、設(shè)計(jì)與測(cè)試*

張印強(qiáng)，楊 波，李 婧，王壽榮*

(1．東南大學(xué)微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096;2．南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，南京210009)

硅微機(jī)械陀螺儀具有體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，但精度較低限制了其應(yīng)用場(chǎng)合，因此，提高精度成為硅微機(jī)械陀螺儀研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)［1］。硅微陀螺儀性能的好壞主要取決于其設(shè)計(jì)質(zhì)量、加工質(zhì)量、測(cè)控電路的質(zhì)量和封裝質(zhì)量，但也與測(cè)試處理方法有關(guān)。采用恰當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)硅微陀螺儀信號(hào)進(jìn)行處理，往往起到事半功倍的效果。硅微陀螺的一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)是適宜于大批量生產(chǎn)。同時(shí)，它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是硅微陀螺可以采用靈活的集成化制造技術(shù)，將多個(gè)硅微陀螺集成在同一個(gè)芯片上，構(gòu)成硅微陀螺陣列，通過陣列中各硅微陀螺的測(cè)量，對(duì)同一外界信號(hào)進(jìn)行冗余檢測(cè)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)耐|(zhì)傳感器的數(shù)據(jù)融合方法，將硅微陀螺儀陣列的輸出信號(hào)和被測(cè)角速度綜合成一個(gè)虛擬陀螺儀，通過對(duì)噪聲的模型化，建立相應(yīng)的濾波方程，將使陀螺儀的漂移得到較大幅度的降低，也是硅微陀螺儀測(cè)試信號(hào)處理的一個(gè)重要發(fā)展方向。這樣做，無論對(duì)微陀螺本身，還是對(duì)慣性測(cè)量系統(tǒng)，其體積或成本都不會(huì)增加許多，因而是一種非?？尚械姆椒?。

美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室基于卡爾曼濾波算法仿真實(shí)現(xiàn)了由4個(gè)陀螺構(gòu)成的“虛擬陀螺”陣列，其精度可提高2～173倍［2］。韓國(guó)的Seokyu Kim等采用鏈接梁結(jié)構(gòu)方式分別將4個(gè)陀螺組成一個(gè)陣列來測(cè)量同一個(gè)角速度，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為100°/s，具有較高的信噪比［3］。國(guó)內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)利用單獨(dú)的MEMS陀螺構(gòu)成陀螺陣列，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)提高了精度［4－5］。

本文設(shè)計(jì)了一種新的硅微陣列陀螺儀，對(duì)陣列陀螺儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并利用Ansys有限元分析軟件進(jìn)行了計(jì)算和仿真，確定了陣列陀螺儀結(jié)構(gòu)的8階振型和固有頻率，最后對(duì)加工出的硅微陣列陀螺儀樣品進(jìn)行了測(cè)試。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

由于采用四個(gè)單質(zhì)量陀螺構(gòu)成陣列時(shí)各陀螺之間的相關(guān)性較小且模態(tài)復(fù)雜，本文設(shè)計(jì)的硅微陣列陀螺儀由兩個(gè)雙質(zhì)量雙線振動(dòng)陀螺儀［6－7］組合而成，同時(shí)采用折疊梁來實(shí)現(xiàn)解耦設(shè)計(jì)。由于全解耦方案需要48根折疊梁，而半解耦方案只需16根折疊梁，綜合考慮加工工藝、成品率等因素，硅微陣列陀螺儀采用了半解耦方案。圖1為采用半解耦結(jié)構(gòu)的硅微陣列陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，由錨點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)梳齒、檢測(cè)梳齒、電極、驅(qū)動(dòng)梳齒架、檢測(cè)質(zhì)量塊和支承梁等組成。驅(qū)動(dòng)梳齒架的兩邊均設(shè)計(jì)有驅(qū)動(dòng)梳齒和電極，并分別通過4個(gè)折疊梁與檢測(cè)質(zhì)量塊連接;驅(qū)動(dòng)梳齒電容采用變重疊面積方式，活動(dòng)梳齒與固定梳齒之間為滑膜阻尼。檢測(cè)質(zhì)量塊兩邊加工有可動(dòng)梳齒，與檢測(cè)梳齒架上的固定檢測(cè)梳齒構(gòu)成變間距的差分電容。

圖1 硅微陣列陀螺儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

此結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面有如下特點(diǎn):(1)采用半解耦的結(jié)構(gòu)解決非線性振動(dòng)問題，在降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的同時(shí)減少了兩個(gè)模態(tài)之間的耦合;(2)質(zhì)量塊、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)支承梁完全相同且對(duì)稱分布，降低了加工誤差和溫度變化對(duì)陀螺性能的影響。

2 有限元仿真

硅微陣列陀螺儀的簡(jiǎn)化模型如圖2所示，網(wǎng)格劃分后進(jìn)行模態(tài)分析，采用單晶硅材料，仿真參數(shù)為密度 ρ=2．33×103kg/m3，泊松比 μ=0．027，彈性模量E=130 GN/m。

圖2 陣列陀螺的簡(jiǎn)化模型

進(jìn)行模態(tài)仿真［8－9］后，提取了硅微陣列陀螺儀前9階的頻率和振型，如圖3和表1所示。

圖3 ANSYS仿真結(jié)果

表1 陀螺的固有頻率

圖3中第1階模態(tài)為4個(gè)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)全部同相的驅(qū)動(dòng)模態(tài)，第2階模態(tài)為其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)模態(tài);第3階模態(tài)為另一種驅(qū)動(dòng)模態(tài)，4個(gè)質(zhì)量塊左右運(yùn)動(dòng)同相而上下運(yùn)動(dòng)反相，第4階模態(tài)為其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)模態(tài);第5階模態(tài)為陣列陀螺沿z軸方向的運(yùn)動(dòng)，為干擾模態(tài)。第8階模態(tài)為第3種驅(qū)動(dòng)模態(tài)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)模態(tài)為第7階模態(tài)，其4個(gè)質(zhì)量塊的左右運(yùn)動(dòng)反相且上下運(yùn)動(dòng)也反相，固有頻率匹配較好。第9階驅(qū)動(dòng)模態(tài)與第6階檢測(cè)模態(tài)對(duì)應(yīng)，4個(gè)質(zhì)量塊左右運(yùn)動(dòng)反相而上下運(yùn)動(dòng)同相。經(jīng)過結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，工作模態(tài)與其他干擾模態(tài)保持了適當(dāng)?shù)母綦x。從表1的固有頻率來看，實(shí)際陀螺的驅(qū)動(dòng)工作模態(tài)選擇模態(tài)1或模態(tài)8較好，既完成了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)的匹配，同時(shí)又保證了一定的帶寬。

3 加工

硅微陣列陀螺儀利用體硅加工工藝［10－11］完成，其在顯微鏡下的局部視圖如圖4。工藝流程如下:①選用N型(100)的硅材料作為硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)材料，在硅片上涂光刻膠作為淺刻蝕掩蔽層;②利用ICP刻蝕鍵合區(qū)并預(yù)釋放結(jié)構(gòu);③雙面拋光玻璃，腐蝕玻璃形成淺槽，淀積金屬，剝離形成金屬電極;④玻璃與待用硅片對(duì)準(zhǔn)后靜電鍵合;⑤硅片減薄并進(jìn)行拋光;⑥利用ICP深刻蝕進(jìn)行結(jié)構(gòu)釋放，完成加工。

圖4 硅微陣列陀螺儀在顯微鏡下的局部視圖

4 測(cè)試

本文對(duì)硅微陣列陀螺儀樣品的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行了初步測(cè)試［12］。測(cè)試方案采用了開環(huán)驅(qū)動(dòng)，機(jī)電調(diào)幅檢測(cè)的方法。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)以及經(jīng)過反向放大器反向后的信號(hào)通過阻容耦合與直流電壓疊加產(chǎn)生一對(duì)差分信號(hào)Vd±Vasin(ωt)施加到陀螺的驅(qū)動(dòng)電極，由前置放大器提取驅(qū)動(dòng)振幅信號(hào)，波峰值表征了振動(dòng)幅度，通過掃頻實(shí)驗(yàn)得到的硅微陣列陀螺儀的驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振特性曲線如圖5所示。

圖5 硅微陣列陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的幅頻曲線

從圖5可以看出，驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率分別2660 Hz、2970 Hz和3200 Hz，驅(qū)動(dòng)掃頻曲線有3個(gè)峰值，說明驅(qū)動(dòng)模態(tài)存在3個(gè)振型，且同頻反相振動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于同頻同相振動(dòng)的幅值。掃頻實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)模態(tài)有3個(gè)諧振峰，而仿真結(jié)果有4個(gè)諧振峰，造成此現(xiàn)象的原因是仿真中第8階和第9階驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率相差較小，由于加工誤差的影響，使得實(shí)際測(cè)試中這兩個(gè)模態(tài)的峰值近乎重疊。

對(duì)1～5號(hào)陀螺樣品進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)模態(tài)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2，不同樣品的相同模態(tài)間的諧振頻率差異較小。同時(shí)對(duì)陀螺的檢測(cè)模態(tài)進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)敏感諧振頻率與驅(qū)動(dòng)頻率基本匹配，滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)陣列陀螺的進(jìn)一步測(cè)試正在進(jìn)行之中。

表2 陀螺樣品的驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率 單位:Hz

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型的結(jié)構(gòu)對(duì)稱的硅微陣列陀螺儀，并對(duì)其結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行了有限元仿真，然后介紹了利用體硅加工工藝進(jìn)行陀螺加工的工藝流程。最后對(duì)加工出的硅微陣列陀螺儀樣品進(jìn)行了初步測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

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