MEMS电容式陀螺仪的设计

2017-09-08 06:54张琼

电子技术与软件工程 2017年14期

文/张琼

MEMS电容式陀螺仪的设计

文/张琼

本文设计了一种静电梳齿驱动、差分电容检测的MEMS陀螺仪，结构采用双质量块对称设计，能够有效抑制轴向加速度的干扰。利用Ansys对MEMS陀螺仪进行了仿真分析，在模态仿真中分析了陀螺结构的固有频率与振型；在静态仿真中，分析了陀螺结构在X方向、Y方向及Z方向受到50G冲击载荷时的应力分布情况，保证了弹性梁等危险区域可以承受一定的冲击载荷。

MEMS陀螺仪 Ansys仿真结构设计

1 引言

陀螺仪是测量角速度的惯性器件，由微电子机械系统（MEMS）技术所加工的微机械陀螺仪在体积、重量和功耗上的优势，使其能在许多应用领域可以有广泛的应用。多年来，随着MEMS技术的发展，理论上的一系列研究及加工技术的进步，MEMS陀螺仪取得了更好的进展。本文设计了一种静电梳齿驱动、差分电容检测的MEMS陀螺仪，结构采用双质量块对称设计，能够有效抑制轴向加速度的干扰。

2 结构设计

本文所设计的MEMS陀螺仪结构示意图如图1所示，x轴为驱动方向、y轴为检测方向，结构采用双质量块对称设计,静电梳齿驱动，图1中1、4、7部分为左、右驱动器及中间驱动器，在固定梳齿的驱动下，可动梳齿受到周期性的作用力，从而使质量块1、质量块2在作周期性的受迫振动，其振动位移与驱动量成正比，使陀螺仪可以有较好的线性度。

当MEMS陀螺仪处于正常的工作状态时，驱动质量块1与质量块2在静电梳齿的驱动下沿水平X方向做相对运动，当有Z方向角速度输入时，两检测质量块1、2在哥氏力的作用下沿Y方向做反方向振动，检测电容C1、C2改变，C1、C2变化量大小相同、方向相反，并与角速度信号成正比。因此通过检测电容C1、C2的变化量，就可以得到Z方向输入的角速度。

对于单质量块陀螺仪，轴向加速度会对其工作带来严重的干扰，本文所设计的MEMS陀螺仪对于轴向加速度可以很好的抑制。

当陀螺仪工作时，两个质量块在固定梳齿的激励下相对运动，质量块1和质量块2的运动方程为：

表1：单晶硅的材料参数

当陀螺仪受到X方向的加速度时，两个质量块在其作用下，运动方程为：

当系统有角速度Ω输入时，哥氏力大小为：

因此在两个检测质量块上耦合的加速度为：

由式（6）和（7）可以看出，两个检测质量块受到的加速度分为两部分，第一部分为设计所需要的部分，它们在两个式（4）和（5）中的相位相反；第二部分为系统加速度引起的干扰项，它们在方程中的幅值、相位相同。由于差分检测电容反相位信号会相叠加，同相位信号相互抵消，可以抑制X方向的加速度干扰信号。

当陀螺仪受到Y方向（或Z方向）的加速度时，由图1的结构可以看出，C1、C2同时增大或减小相同的值，差分检测电容使输出不受加速度信号的影响。

由以上分析可知，MEMS电容式陀螺仪能够很好的抑制轴向加速度的干扰。

3 仿真分析

3.1 模态仿真分析

Ansys模态仿真分析可以确定MEMS 陀螺仪的模态参数。MEMS 陀螺仪仿真所用的材料属性设定如表1所示。

运用Ansys15.0对MEMS 陀螺仪进行了六阶模态分析，得到前六阶模态频率如表2所示。

图2为MEMS 陀螺仪的一阶驱动模态，图3为二阶检测模态，两工作模态频率相差169.9Hz，可以满足陀螺对频率匹配要求，前两阶工作振型频率高于2000Hz ，可以使陀螺不容易受到环境噪声(< 2000Hz )的干扰。

3.2 静态仿真分析

Ansys静态仿真是用于分析陀螺仪在静力载荷作用下应力情况，保证弹性梁等危险结构可以承受一定的冲击载荷。仿真时在结构的X方向施加50G的载荷时，其应力分布云图如图4所示，其最大应力为7.13 MPa，危险区域为驱动梁的末端；在结构的Y方向施加50G的载荷时，其应力分布云图如图5所示，其最大应力为6.64 MPa，危险区域为检查梁的末端及转折部分；在结构的Z方向施加50G的载荷时，其应力分布云图如图6所示，其最大应力为1.74 MPa，危险区域为驱动梁的转折部分，各个方向的最大应力都远远小于硅的许用应力。

通过以上分析可以得到，本文所设计的MEMS陀螺仪可以承受一定的冲击。