1、硅微型機械振動陀螺儀是用于角速率檢測的一類新型傳感器。由于目前市場對低成本、高可靠性以及微型化的角速率傳感器需求，因此硅微型機械陀螺儀已成為MEMS器件中一個倍受關(guān)注的領(lǐng)域和研發(fā)熱點。并且預(yù)測在今后的幾年內(nèi)，硅微型機械振動陀螺儀也將會作為又一種成熟的硅微慣性敏感器件，廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。本文針對硅微型機械振動陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行一些較深入地研究與分析。 1.硅微型機械振動陀螺儀的動力學(xué)分析。介紹了不同尺寸微結(jié)構(gòu)所遵循的力學(xué)規(guī)律，

2、還介紹了振動輪式陀螺儀和雙線振動陀螺儀的結(jié)構(gòu)與工作機理，建立了這兩種結(jié)構(gòu)的動力學(xué)方程式。根據(jù)動力學(xué)方程式，詳細分析了驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的運動規(guī)律。指出驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的運動規(guī)律都是衰減運動和簡諧振動的復(fù)合運動；對于某一給定結(jié)構(gòu)，在不同的阻尼系數(shù)下，衰減運動的時間是不同的。同時還得出了驅(qū)動力、驅(qū)動模態(tài)振動信號以及檢測模態(tài)振動信號之間的相位關(guān)系，為驅(qū)動電路與檢測電路的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。并且還指出陀螺儀的機械品質(zhì)因數(shù)與衰減運動時間是相互存在矛盾

3、的。 2.微結(jié)構(gòu)的阻尼。在不同的環(huán)境壓力下，作用在微結(jié)構(gòu)上的阻尼機制不同。在第一壓力區(qū)域，作用在微結(jié)構(gòu)上的阻尼包括摩擦阻尼和材料阻尼。并且指出摩擦力不僅與產(chǎn)生粘著力的接觸面積以及外加載荷有關(guān)，而且還與固體表面的形貌有關(guān)。而材料阻尼主要是由硅材料的原生缺陷和加工中誘生的缺陷產(chǎn)生能耗的結(jié)果。在第二個區(qū)域中，阻尼主要是由氣體分子與振動結(jié)構(gòu)的碰撞而產(chǎn)生。而第三個區(qū)域的阻尼主要是由氣體分子之間的相互碰撞而產(chǎn)生的。根據(jù)第二壓力區(qū)域與第三壓力

4、區(qū)域阻尼產(chǎn)生的機制，并利用流體力學(xué)、非平衡熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)，分別討論了平板型結(jié)構(gòu)和弧線型結(jié)構(gòu)的剪切阻尼以及擠壓阻尼。 3.硅微機械振動陀螺儀的驅(qū)動機理。分析了線振動型電容驅(qū)動方式和輪式振動型電容驅(qū)動方式的工作機理。首先建立了線振動驅(qū)動方式的靜電場有限元模型。在此基礎(chǔ)上采用Maxwell法對靜電驅(qū)動力與梳齒的長度、交錯部分長度、梳齒寬度、梳齒間距以及梳齒的厚度之間的關(guān)系進行了研究。并得出以下結(jié)論：i)在接近水平線的工作區(qū)域，靜電

5、驅(qū)動力與交錯部分的長度無關(guān)。且隨著梳齒長度的增加，靜電驅(qū)動力的非線性度增加：ii)指出在一定結(jié)構(gòu)尺寸下，通常選擇齒寬盡可能小，以增加齒數(shù)來增大靜電驅(qū)動力；iii)隨著梳齒間距的減小，工作區(qū)域的靜電驅(qū)動力的穩(wěn)定性越好；iv)隨著厚度的增加，仿真值與理論值越接近。其次建立了輪式振動驅(qū)動方式的靜電場有限元模型，采用Maxwell法對靜電驅(qū)動力矩與梳齒的半徑以及梳齒的轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系進行了研究。并得出以下結(jié)論：i)靜電驅(qū)動力矩的大小與梳齒半徑的變

6、化近似為線性關(guān)系；ii)靜電驅(qū)動力矩在0.6～2.1度之間能夠保持較好似的穩(wěn)定性，且與轉(zhuǎn)角大小無關(guān)。 4.硅微型機械振動陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。針對硅微型機械振動式陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了較全面的分析。首先，推導(dǎo)了幾種支撐梁結(jié)構(gòu)形式的彈性系數(shù)計算公式。并且指出合理設(shè)計支撐梁的彈性系數(shù)，可以保證所需要的驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)，抑制其它的振動模態(tài)。其次，分析了諧振頻率與機械靈敏度、穩(wěn)定時間以及帶寬之間的關(guān)系。指出驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的諧振頻