微机械陀螺的仿真与优化

　　0　引　言

　　在过去的几十年中,测量角速度和角位移的陀螺一直是惯性导航系统研究和开发的重点。随着微电子机械系统( MEMS)的应用,人们自然将注意力转向这种具有低成本、高可靠性、可大量生产的微机械陀螺的研制。一些全新的应用领域将随之产生,如汽车、消费电子、工业、医疗、军事等。

　　几乎所有的微机械陀螺都属于振动陀螺,而振动陀螺是利用高频振动的质量在被基座带动旋转时产生的哥氏(Coriolis)效应来敏感运动的。陀螺的检测质量是一个做高速振动的机械结构,如音叉、环、梁等。与刚体转子陀螺相比,振动陀螺没有高速旋转的转子和相应的的支撑系统,因而,具有性能稳定、结构简单、可靠性高、承载能力大、体积小、质量轻及成本低等特点。

　　在设计微机械陀螺时,需要特别注意机械结构的各种振动模态。虽然已有很多文章研究了如何调节驱动模态和敏感模态以获得最大的敏感度,却很少有人分析微机械陀螺的振动模态。通常来说,驱动模态和敏感模态的谐振频率应该低于其它不需要模态的谐振频率,但出于抗振动的考虑,所有的振动模态的频率都应该高于某个阈值。另外,振动模态与陀螺检测质量的尺寸、支撑系统的类型和尺寸,以及用以制造陀螺主体的多晶硅的残余应力有极大的关系。

　　本文研究了机械结构的参数变化对一种敏感垂直轴角速度的陀螺的影响。这些参数变化包括了检测质量尺寸(以平面面积率为模型)、支撑系统的尺寸(支撑梁的长度、宽度和厚度)、支撑梁的类型,以及构成机械结构的多晶硅的残余应力。这些研究借助了IntelliSuiteTM仿真软件。

　　1　微机械陀螺的工作原理

　　图1所示为一个静电驱动、电容检测的平面微机械陀螺[1]。

　　该陀螺由外框和检测质量所组成,外框由折叠梁支撑,而折叠梁的另一段固定。检测质量由另一套支撑梁支持,支撑梁的另一段固定在外框。外框外侧两端的梳状叉指与固定在衬底上的梳状叉指构成驱动电极,驱动结构沿y轴方向振动(驱动模态)。另一套电极由检测质量上的叉指与固定在衬底上的叉指组成,检测x轴方向的运动(检测模态)。当z轴方向发生转动,由於y轴方向振动的共同作用而产生了哥氏力,使得检测质量在x轴方向产生了运动,哥氏力由敏感电极检测。

　　本文使用IntelliSuiteTM软件仿真时使用的参数及其代码如下:

　　2　结果与讨论

　　图2所示为该陀螺的首5个振动模态,分别是:(a)沿y轴振动的驱动模态;(b)沿x轴振动的检测模态;(c)沿z轴振动的模态;(d)绕x轴转动的模态;(e)绕y轴转动的模态。