MEMS電容式陀螺儀的設計

文/張瓊

MEMS電容式陀螺儀的設計

文/張瓊

本文設計了一種靜電梳齒驅動、差分電容檢測的MEMS陀螺儀，結構采用雙質(zhì)量塊對稱設計，能夠有效抑制軸向加速度的干擾。利用Ansys對MEMS陀螺儀進行了仿真分析，在模態(tài)仿真中分析了陀螺結構的固有頻率與振型；在靜態(tài)仿真中，分析了陀螺結構在X方向、Y方向及Z方向受到50G沖擊載荷時的應力分布情況，保證了彈性梁等危險區(qū)域可以承受一定的沖擊載荷。

MEMS陀螺儀 Ansys仿真 結構設計

1 引言

陀螺儀是測量角速度的慣性器件，由微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術所加工的微機械陀螺儀在體積、重量和功耗上的優(yōu)勢，使其能在許多應用領域可以有廣泛的應用。多年來，隨著MEMS技術的發(fā)展，理論上的一系列研究及加工技術的進步，MEMS陀螺儀取得了更好的進展。本文設計了一種靜電梳齒驅動、差分電容檢測的MEMS陀螺儀，結構采用雙質(zhì)量塊對稱設計，能夠有效抑制軸向加速度的干擾。

2 結構設計

本文所設計的MEMS陀螺儀結構示意圖如圖1所示，x軸為驅動方向、y軸為檢測方向，結構采用雙質(zhì)量塊對稱設計,靜電梳齒驅動，圖1中1、4、7部分為左、右驅動器及中間驅動器，在固定梳齒的驅動下，可動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，其振動位移與驅動量成正比，使陀螺儀可以有較好的線性度。

當MEMS陀螺儀處于正常的工作狀態(tài)時，驅動質(zhì)量塊1與質(zhì)量塊2在靜電梳齒的驅動下沿水平X方向做相對運動，當有Z方向角速度 輸入時，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，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 。

對于單質(zhì)量塊陀螺儀，軸向加速度會對其工作帶來嚴重的干擾，本文所設計的MEMS陀螺儀對于軸向加速度可以很好的抑制。

當陀螺儀工作時，兩個質(zhì)量塊在固定梳齒的激勵下相對運動，質(zhì)量塊1和質(zhì)量塊2的運動方程為：

表1：單晶硅的材料參數(shù)

當陀螺儀受到X方向的加速度時，兩個質(zhì)量塊在其作用下，運動方程為：

當系統(tǒng)有角速度Ω輸入時，哥氏力大小為：

因此在兩個檢測質(zhì)量塊上耦合的加速度為：

由式（6）和（7）可以看出，兩個檢測質(zhì)量塊受到的加速度分為兩部分，第一部分為設計所需要的部分，它們在兩個式（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，它們在方程中的幅值、相位相同。由于差分檢測電容反相位信號會相疊加，同相位信號相互抵消，可以抑制X方向的加速度干擾信號。

當陀螺儀受到Y方向（或Z方向）的加速度時，由圖1的結構可以看出，C1、C2同時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定如表1所示。

運用Ansys15.0對MEMS 陀螺儀進行了六階模態(tài)分析，得到前六階模態(tài)頻率如表2所示。

圖2為MEMS 陀螺儀的一階驅動模態(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力情況，保證彈性梁等危險結構可以承受一定的沖擊載荷。仿真時在結構的X方向施加50G的載荷時，其應力分布云圖如圖4所示，其最大應力為7.13 MPa，危險區(qū)域為驅動梁的末端；在結構的Y方向施加50G的載荷時，其應力分布云圖如圖5所示，其最大應力為6.64 MPa，危險區(qū)域為檢查梁的末端及轉折部分；在結構的Z方向施加50G的載荷時，其應力分布云圖如圖6所示，其最大應力為1.74 MPa，危險區(qū)域為驅動梁的轉折部分，各個方向的最大應力都遠遠小于硅的許用應力。

通過以上分析可以得到，本文所設計的MEMS陀螺儀可以承受一定的沖擊。

4 總結

本文設計了一種靜電梳齒驅動、差分電容檢測的MEMS陀螺儀，結構采用雙質(zhì)量塊對稱設計，采用x軸方向驅動、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MEMS陀螺儀進行了模態(tài)與靜態(tài)仿真分析，驗證了MEMS陀螺儀設計的合理性。

圖1：MEMS電容式陀螺儀結構示意圖

圖2：陀螺結構的第一階模態(tài)云圖

圖3：陀螺結構的第二階模態(tài)云圖

圖4：X方向施加50G載荷時結構的應力分布云圖

圖5：Y方向施加50G載荷時結構的應力分布云圖

圖6：Z方向施加50G載荷時結構的應力分布云圖

[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.微機械陀螺儀的新進展及發(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,2008.

[5]熊斌.柵結構微機械振動式陀螺儀[D].江蘇：東南大學,2001.

[6]管繼平.梳狀音叉雙線振動硅微機械陀螺儀的技術研究[D].電子科技大學,2011.

[7]譚秋林，石云波等.具有柵結構與靜電梳齒驅動的電容式微機械陀螺的仿真、設計與測試[J].納米技術與精密工程,2011,09(03)：207-211.

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

作者單位 忻州師范學院 山西省忻州市 034000

張瓊（1983-），女，山西省忻州市人。碩士學位。主要研究方向為電子技術，傳感技術。