硅微三軸輪環式陀螺結構設計與仿真分析

蔡 麒，趙 勇，劉 立，曹慧亮，石云波，趙 銳

(1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，太原030051;2.中國兵器工業計算機應用技術研究所，北京100089;3.錦州七七七微電子有限責任公司，錦州121001)

0 引言

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

當前,用于同時測量三個軸向角速率信息的陀螺主要有采用三個正交放置的單軸陀螺集成的陀螺和單片單結構的三軸陀螺。但是,具有正交放置的集成三軸陀螺[5-6]具有集成度低、裝配誤差大和系統體積大的缺點；單片單結構的三軸陀螺[7-12]結構復雜,加工困難,模態間耦合嚴重。因此,這兩種類型的陀螺均不適用于彈藥的三維姿態檢測。

本文提出了一種新型硅微三軸輪環陀螺,它采用單芯片多結構陀螺陣列方法將兩個陀螺結構集成在一個芯片上。該陀螺結構簡單,易于加工,解耦簡單,體積小且易于防護。它可以有效地為彈藥提供三維姿態,實現彈藥的智能化。本文建立了該陀螺結構的有限元模型,并進行了振動特性分析和瞬態沖擊響應分析,證明了該陀螺具有良好的振動特性和抗沖擊性。

1 硅微三軸輪環式陀螺結構設計

考慮到彈丸的大小和彈丸在發射過程中的高過載環境,本文設計的陀螺結構應具有體積小、抗沖擊性能好的特點。本文提出的陀螺是通過單片輪環結構陀螺陣列實現的,這兩種結構通過嵌套集成在一個芯片上,以進一步減小結構體積。如圖1所示,輪式結構完全嵌套在環形結構的中間,這兩個結構獨立工作且不會相互影響。在參考其他文獻和仿真的基礎上,結構的厚度初步確定為100μm,環的半徑為3000μm,X軸檢測框架的半徑為 2500μm,Y軸檢測框架的半徑為1200μm。

輪式結構從內向外由Y軸檢測框架(內圓柱框架,進行XOY平面外運動,繞OX軸扭曲,用于檢測Y軸輸入角速度)、Y-驅動撓性接頭(用于支撐內部框架)、輪結構驅動框架(中圓柱殼框架,通過四個支撐梁與四個完全對稱的錨點相連,以支撐整個結構)、X-驅動撓性接頭(用于支撐外部框架)和X軸檢測框架(外圓柱殼框架,進行XOY平面外運動,繞OY軸扭曲,用于檢測X軸輸入角速度)組成。采用的環形固體波動陀螺結構由八個對稱錨點及S型折疊梁支撐中間的環形諧振結構,對稱的結構有利于應力釋放,中間的環形結構采用四波腹工作原理,具有良好的抗沖擊性能。

2 振動特性分析

2.1 模態分析

模態分析可以用來確定陀螺結構的振動特性,如固有頻率、振型、振動平穩性等。首先,利用SolidWorks軟件建立陀螺結構的整體模型,利用ANSYS軟件建立有限元模型。然后,再進行模態分析,提取工作模態的仿真結果。圖2為陀螺驅動模態和檢測模態的模態分析結果,前十階模態的振動特性及固有頻率如表1所示。

圖2 三軸陀螺驅動和檢測模態圖Fig.2 Drive and detection modal diagram of the triaxial gyroscope

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

在結構設計中,工作模態和干擾模態之間的頻差需要盡可能大,以減少模態之間的干擾。當驅動模態和檢測模態的固有頻率完全相同時,陀螺的靈敏度最高,但是會導致帶寬降低。因此,驅動頻率和檢測頻率也需要一定的頻率差[13]。由圖2和表1可以看出,陀螺的工作模態比較集中,它的諧振頻率與干擾模式的諧振頻率相距較遠,避免了干擾模態對陀螺工作的影響。同時,陀螺的Z軸驅動模態和檢測模態之間的頻率差很小(1Hz),而輪式結構陀螺X軸和Y軸的驅動模態和檢測模態之間的頻率差分別為120Hz和121Hz,極大地提高了陀螺的機械靈敏度。可以看出,陀螺結構不僅可以遠離環境振動的干擾,而且可以在較高靈敏度的基礎上保證帶寬,從而達到較高的抗高過載性能。

2.2 諧響應分析

諧響應分析是一種特殊的時域分析方法,用于分析持續的周期載荷在結構系統中產生的持續周期響應,并確定結構在承受隨時間按簡諧規律變化的載荷時的穩態響應。陀螺諧振器結構諧響應分析的主要目的是計算結構在靜電力作用下的位移響應,并獲得陀螺諧振器結構的幅頻響應曲線。經過掃頻仿真分析之后,觀察陀螺諧振子在何頻率點出現諧振峰值,并獲得該峰值的大小。

在模態仿真的基礎上,針對各個工作模態,對結構進行諧響應分析:在結構的驅動位置上施加正弦力,觀察結構檢測模態的位移,可得到輪式結構的X軸檢測模態(第四階模態,10166.0Hz)、Y軸檢測模態(第五階模態,10205.0Hz)和環形Z軸檢測模態(第七階模態,10321.0Hz)的位移,如圖3、圖4和圖5所示。仿真結果顯示,在各模態的諧振頻率范圍內均只有唯一值,且X軸、Y軸檢測位移較大(說明結構具有較好的機械靈敏度),Z軸檢測位移較小(反映出Z軸靈敏度較低、量程較大)。

圖3 X軸檢測方向幅頻響應曲線Fig.3 Amplitude-frequency response curve of X-axis detection direction

圖4 Y軸檢測方向幅頻響應曲線Fig.4 Amplitude-frequency response curve of Y-axis detection direction

圖5 Z軸檢測方向幅頻響應曲線Fig.5 Amplitude-frequency response curve of Z-axis detection direction

3 抗沖擊特性分析

在特定領域應用時,陀螺需要經受一定程度的瞬態加速度沖擊,這類沖擊載荷作用時間短、峰值高、變化快,使得陀螺產生很大的沖擊應力,容易損壞諧振結構。本文采用半正弦脈沖模擬陀螺實際過載情形,采用ANSYS的瞬態分析模塊進行仿真。

大多數常規火炮發射的彈藥在使用過程中要經歷膛內發射沖擊階段,沖擊的方向主要在Z軸方向,因此設計的陀螺在Z軸方向需要有良好的抗高過載能力。在陀螺諧振結構的Z軸方向施加5000g@5ms的半正弦周期沖擊載荷,諧振子結構的位移云圖如圖6(a)所示,諧振子結構應力云圖如圖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在環形結構上,其最大位移為 14.1μm。而環形結構與基底的距離為50μm,因此在5000g的沖擊下產生的位移不會導致敏感結構與基底粘連。由圖6(b)可知,結構最大應力為190.38MPa,遠低于硅結構的許用應力(790MPa),且最大應力點分布在輪式結構的支撐梁靠近錨點部分,說明該結構具有較好的抗沖擊特性。

圖6 Z軸承受5000g條件下的結構位移云圖及應力云圖Fig.6 Displacement and stress nephogram of Z-axis under the condition of 5000g

4 結論

為了開發可以用于智能彈藥領域的陀螺,本文提出了一種新型的基于輪-環形式的單片三軸MEMS陀螺結構,在ANSYS有限元分析軟件中建立了該三軸陀螺結構的有限元模型,并分別進行了模態分析、諧響應分析以及瞬態沖擊響應分析。仿真分析結果表明,該三軸陀螺工作模態與干擾模態的頻差較大,驅動模態與檢測模態的頻差較小,既可以遠離環境振動的干擾,又能保持較高的靈敏度。該陀螺結構在5000g@5ms瞬態沖擊作用下的最大應力為190.38MPa,遠小于硅的極限許用應力,證明該陀螺結構在抗沖擊方面有較好的性能。