一种微机械陀螺仪仿真分析

　　1　引　　言

　　微机械陀螺仪是一种重要的微传感器,也是微惯性装置(MIMU)的重要组成部分[1]。它不仅可以用于军事领域,还可以用于民用领域,具有非常广阔的应用前景[2]。目前,几乎所有的微机械陀螺都属于振动陀螺。它具有性能稳定、结构简单、可靠性高、承载能力大、体积小、质量低及成本低等特点[3]。在微机械陀螺仪的设计中,如何提高陀螺仪的检测灵敏度非常重要,而影响灵敏度的是各模态的频率[4]。本文借助CoventorWare仿真软件,通过改变结构的尺寸参数,使各模态频率匹配,达到优化设计的目的。

　　2　微机械陀螺仪的工作原理及基本结构

　　2.1　工作原理

　　现有的微机械陀螺仪都是振动陀螺,工作原理都是基于哥氏效应。它可视为由两个以正弦波振动的谐振器组成[5].

　　2.2　基本结构

       微机械振动陀螺仪的结构如图1所示,包括4个锚点、2个固定电极、一组悬臂梁、质量块、连接在质量块上的活动梳指和固定电极上的固定梳指。如果在固定电极上施加驱动电压,受电场力作用质量块将沿y轴振动,当系统沿X轴输入角速度Ωx时,由于受哥氏力的作用,质量块将沿Z轴方向振动,检测到Z轴方向的位移,即可计算出所求角速度Ωx。要使驱动和检测模态频率接近可以通过调整质量块的结构,如长宽高等[6],下文即利用Coventor的系统模型,改变质量块结构参数来调整两者的固有频率。

　　3　利用系统模块进行仿真分析

　　表1为主要结构参数。图2为利用系统模块中的交流小信号分析得到敏感质量块沿X、Y、Z轴的固有频率

　因悬臂梁的高度受加工工艺的限制调整有限,它的宽度均在10μm左右,调整范围也很有限,所以在设计中通常通过调整内外悬臂梁的长度来调整微陀螺仪的固有频率,提高灵敏度。内悬臂梁用beam1表示,它的长度从450um变化到750um,每次变化50μm。图3(a)是它的幅频特性图。由图3(a)看出,内悬臂梁长度的变化对整个结构沿Y轴和Z轴振动的固有频率影响较大,每增加50μm,Y轴和Z轴的频率均减小1kHz,但对质量块沿X轴振动的固有频率几乎没什么影响。

　　外悬臂梁用beam2表示,长度从150μm变化到350μm,每次变化50μm。图3(b)是它的幅频特性图。由图3(b)看出,它的变化对Y、Z轴的固有频率影响很小,每增加50μm,Y、Z轴的固有频率减小20Hz,但对质量块沿X轴振动的固有频率影响较大,每增加50μm,X轴的固有频率减小5kHz。

　　根据陀螺仪的灵敏度公式,应使驱动轴与敏感轴的固有频率接近,综合以上的参数分析,选择了一组合适的悬臂梁数据。选外悬臂梁的长度为600μm,内悬臂梁的长度为300μm,对以上参数结构进行交流小信号分析,得到相应模态的固有频率结果如图4。由图4及图2可以明显看出原来驱动轴和敏感轴即Y轴和Z轴的固有频率差为200Hz,而现在的固有频率差仅为50Hz,很好的提高了微陀螺仪的机械灵敏度。