振子框架式微机械陀螺的有限元模拟

　　1　引言

　　双框架陀螺[1]首先由美国Draper实验室于1988年提出,并于1993年研制成功。该陀螺敏感方向垂直于框架平面的角速度,其驱动振动和检测振动均为扭转角振动。双框架陀螺在结构上具有一些缺陷:①受衬底与框架间距的限制,驱动幅度不够大,检测灵敏度有限。②为提高检测信号的线性度,驱动端又必须保证工作在小扭转状态下。

　　梳状陀螺[2]有两组梳子,一组用于水平驱动,另一组检测差分电容变化,角速度输入方向垂直于硅片平面,其驱动和检测均为线振动。梳状陀螺具有以下一些特点:①横向驱动幅度大,提高了检测的灵敏度;还可以通过提高深宽比,进一步提高灵敏度。②横向振动的共振频率不随结构层厚度的改变而改变,保证了陀螺具有一致的灵敏度。梳状陀螺的缺点是,由于陀螺叉指数目多,所以结构阻尼和空气阻尼大幅度增加,造成Q值不高。

　　振子框架式微机械陀螺[3]是在综合考虑双框架陀螺和梳状陀螺优缺点的基础上提出来的。该陀螺具有如下优点:①利用梳状叉指静电推挽式驱动以及用DRIE技术制作梳指,可以获得较大的驱动振幅,提高灵敏度。②由于陀螺的信号检测采用中间部位的平板电容结构,检测端与驱动端工作在不同的平面内,所以可以有效地防止检测振动对驱动振动的机械耦合,提高分辨率。

　　由于微机械陀螺的驱动模态频率和检测模态频率的匹配对其灵敏度与带宽的影响很大,所以在器件设计中,为了获得较高的灵敏度和一定的带宽,就要使驱动模态和检测模态的频率相互匹配。我们研究了振子框架式微机械陀螺的驱动模态和检测模态频率随主要结构尺寸的变化规律,获得了二者相互匹配时的结构尺寸。

　　2　振子框架式微机械陀螺的结构

　　振子—框架式微机械陀螺为静电键合的硅—玻璃结构,如图1。图中涂黑区为键合在玻璃上的固定锚区,未涂黑区为底部悬空的可动结构,中部为内框架和敏感质量块。硅结构元件可分为两部分,第一部分包括固定激励叉指、可动激励叉指和驱动折叠梁,它实质上是对称的静电驱动梳状谐振子;第二部分是框架—挠性梁结构,包括检测挠性梁、质量块和内框架,其中可扭转的内框架由谐振子上的挠性梁连接,框架中心凸起的质量块是惯性敏感元。

　　工作时整个可动结构在静电驱动下沿X方向振动,当系统具有Z方向的角速度时,惯性敏感元受到沿Y方向的科氏惯性力作用。在这一力矩的作用下,内框架以挠性检测梁为中轴转动,转动幅度与输入角速度Ω成正比。内框架与玻璃上的Al电极形成一对平板电容,检测其电容的变化,可感知惯性系统角速度Ω的大小。