振动轮式微机械陀螺仪中滑膜阻尼机理的研究

　　0　引言

　　在微结构中,由于尺寸效应的影响,使得表面阻尼力的作用远超过体积力,从而严重影响微结构的动态性能,因此,对微小尺寸领域的阻尼进行研究非常重要。

　　在不同的环境压力下,作用在微结构上的阻尼机理是不同的。为了系统地研究微结构的阻尼,通常将气体压力分为如下三个区域[1]:第一个区域是低真空压力区域,在此区域中,固体材料表面的气体覆盖率大大减小,此时空气阻尼可以忽略不计,振动结构的阻尼极大地依赖于表面积与容积之比以及表面性质、材料特性和加工工艺,即摩擦阻尼和材料阻尼,该区域的气体压力大约在0·01Pa以下;第二个区域中,气体分子之间的碰撞大大减少,此时,气体分子之间的相互作用力很小,甚至没有相互作用力,空气阻尼主要是由单个气体分子与振动结构碰撞时的动量交换产生的,该区域的气体压力大约在103Pa以下;第三个区域中,主要是气体分子之间的热运动和气体分子之间的相互碰撞,此时,气体分子之间有较强的相互作用,因而粘性阻尼决定了振动结构的形态。通常MEMS器件都工作在第二个区域或第三个区域。

　　对空气阻尼进行定性和定量分析是MEMS器件设计中非常重要的一个步骤,直接影响MEMS器件的动态性能[2]。本文主要研究第三个区域中振动轮式微机械陀螺仪的滑膜阻尼机理。

　　1　振动轮式微机械陀螺仪工作机理

　　图1为振动轮式微机械陀螺仪结构示意图,振动轮式微机械陀螺仪主要由驱动轮和外框架两部分组成。陀螺仪通过梳状机构驱动,做角振动。梳状机构的驱动轮一方面通过一对挠性轴与外框架相连,另一方面通过四根支撑梁与中心基座相连。中心基座固定在玻璃衬底上,与驱动轮上动齿相对应的静齿也固定在玻璃衬底上。工作时,静齿上施加带直流偏置的交流电压,则静动齿间形成梳齿电容,并在动齿上形成圆周方向的静电驱动力。在该驱动力的作用下外框架和驱动轮绕垂直于驱动轮的中心轴做简谐角振动。当在衬底平面内输入一沿垂直于扭杆方向的角速度时,作用在陀螺质量块上的哥氏力将使振动轮绕挠性轴做周期性振动,这时位于外框架下面的电容将发生变化,在理想情况下,该电容的变化量正比于角速度的输入值。

　　忽略干扰输入项的影响,振动轮式陀螺仪动力学方程可简化成如下二阶线性微分方程:

　　2　振动轮式微机械陀螺仪滑膜阻尼机理

　　振动轮式陀螺仪结构的滑膜阻尼主要包括两部分:①活动弧形梳齿与固定弧形梳齿间的滑膜阻尼;②活动结构与衬底之间的滑膜阻尼。