微机电陀螺工艺允差分析及优化设计
相对于传统陀螺，微机电陀螺以其体积小、功耗低、成本低等特性，在对精度要求不高的惯性导航、姿态测量领域有广泛的应用。采用体硅工艺制造的微机电陀螺其测量精度受工艺误差影响较大，且工艺误差对陀螺性能的影响与陀螺结构有关，因而工艺允差分析及陀螺结构的优化设计显得尤为重要。
本文研究的是Z轴线振动式微机电陀螺。首先建立陀螺动力学模型，再利用拉格朗日原理建立其在驱动方向和检测方向的动力学方程。Z轴陀螺可舍去一部分耦合作用项得到简化动力学方程，通过解方程得到驱动检测方向位移、品质因数、机械灵敏度、工作带宽等陀螺重要特性表达式。对静电梳齿电容驱动检测机理、静电调谐以及支撑梁刚度及其矩阵表达式进行了总体分析。
Z轴陀螺因耦合项引起的原理性误差可以忽略。基于陀螺动力学及静电驱动理论分析了加工工艺引起的质心偏移、电容梳齿结构误差、梁结构误差以及工艺残余应力对陀螺性能的影响，给出相对误差或其作用项表达式。
利用ANSYS对陀螺重要组件及整体进行仿真计算。两种支撑梁模态分析及刚度计算结果表明梁结构满足设计需要；梳齿电容仿真数据表明电容对梳齿宽度变化较敏感，梳齿刚度分析表明其在正常工作电压范围内可抗吸附。陀螺3D模型及2D模型模态分析及刚度计算表明陀螺模态频率符合匹配约束，刚度满足解耦要求，且2D模态分析与3D模态分析结果近似。陀螺3D模型及2D模型的过载分析结果表明陀螺满足过载要求。
由陀螺各结构工艺相对误差及作用项表达式、陀螺仿真数据、结构参数结合陀螺技术指标计算各结构工艺允差范围。
根据微机电陀螺动力学及仿真分析结果，确定其主要性能指标要求。考虑陀螺的指标性约束和设计性约束条件，将梁结构中长宽量作为设计变量，利用ANSYS中优化组件基于不同优化目标函数完成陀螺结构的优化设计。
微机电陀螺;工艺允差;抗过载能力;优化设计
西安工业大学
硕士
光学工程
王伟
2011
中文
TN703
84
2011-08-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）