电容式微机械陀螺仪的设计与仿真分析0煤气表

电容式微机械陀螺仪的设计与仿真分析

电容式微机械陀螺仪的设计与仿真分析 自八十年代开始，以IC工艺为基础的微机械加工技术逐渐开始应用于传感器的制造，人们开始研制硅微机械陀螺仪。硅微机械陀螺与传统机械式陀螺相比，宵微型化和集成化、可靠件高和寿命长、能耗低，易于数字化和智能化动态性能好等一系列优点，因而得到广泛的应用。电容式微机械陀螺仪是目前微机械传感器研究的重点，国内外对此展开了大量的研究。 本文提出了一种静电梳齿驱动、电容检测、具有解梢结构的音叉式微机械陀螺仪，该结构可以较大的提高检查灵敏度。1结构及工作原理 电容式微机械陀螺结构示意图如图l所示，本结构采用静电梳齿驱动，静电梳齿驱动的特点是驱动电量与结构的位移成正比，因此所设计的陀螺结构可以得到更高的线性度。陀螺工作时，外加电路提供驱动电压，在静电梳齿的驱动下，由于结构采用音叉式对称设计，两质量块在X方向相对运动。当系统沿Z方向有角速度Ω输入时，质量块在Coriolis力的作用下沿Y方向上下振动，且两质量块振动方向相反。从而结构与衬底上的电极之间的间距发生变化，引起两甲而间的电容变化，电容的变化量与角速度信号成正比。通过检测电容的变化量，可以得到系统在Z方向的角速度Ω。音叉式对称设计，可以得到较高的灵敏度。

2 仿真分析2．1静力学仿真 静态仿真是用于求解静力载荷作用下结构的位移、应力和应变等结果。在本文里，进行静力分析为了确定结构是否能承受一定的载荷。 采用Ansys对结构进行静态仿真，木模型节点类型选用Solid45，所用的材料属性设定如表l所示。

当结构在Z方向加10G的载荷时，其应力分布云图如图2所示，从图中可以看出，档结构受到Z方向的外加载荷时，木结构的主要危险区域是梁的部分，应力集中在梁和框架的连接部分以及梁的折叠部分，其最大应力为2.8MP，远小于硅的许用应力。通过仿真可以证明，本文所设计的陀螺仪可以承受一定的冲击载荷。

2．2模态仿真 通过模态分析可以确定微机械陀螺结构的模态参数，主要包括固有频率和振型。微机械陀螺主要包含两个模态——驱动模态和敏感模态，两模态固有频率之差对结构的灵敏度有很大的影响。固有频率之差越小，表明两种模态间的匹配程度越高，灵敏度越高。 运用Ansys对结构进行了六阶模态分析，分析得到结构的前六阶模态如表2所示。 图3为结构的前两阶模态云图，其中，一阶模态为陀螺的驱动模态，，二阶模态为陀螺的检测模态。设计时要求陀螺对驱动模态和检测模态频率要匹配，可以使陀螺达到一定的灵敏度，本结构两工作模态固有频率相差42 Hz，基本满足要求；同时，两阶频率都高于2000 Hz，不容易受到环境噪声影响。3振动模态分析 陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振频葺爱的计算，可以由Rayleigh(瑞利)能量法确定：

其中，k是支撑系统沿i方向的刚度系数，m是被支撑梁带动的运动部分的等效质量。所以，从式(1)可知，传感器各阶模态的谐振频率主要取决于传感器弹性梁在各个方向的弹性系数。 利用弹性力学知识对本结构的驱动模态与检测模态的谐振频率进行研究。根据文献的计算方法，可以得到本结构驱动模态与检测模态的谐振频率为： 对以上计算所得谐振频率与仿真的谐振频率相比较，驱动模固有频率相差的百分比为： (7948.1-7709．3)／7948.1=0．0300检测模态固有频率相差的百分比为： (7990.0—7742．3)／7990.0=0.0310 可以得到，仿真结果与计算结果基本上相符合。其误差产生的原因可能是有限元仿真时网格划分所造成的。4结构加工版图设计 在陀螺的制造中，器件的加工受加工(光刻和腐蚀、)精度的限制，因此对器件图形大小和间距也有一定的要求要求。设计规则通常用规定图形的最小宽度，最小间隔等参数。由于各个MEMS制造厂的工艺线加工能力和加工环境不同，每个MEMS制造厂都有自己的设计规则。在本结构的版图设计中，采用中国电了科技集团第十三研究所体硅标准工艺来设计。体硅标准工艺宵制作工艺简单，成本低等优点，有利于实施批量生产，并且能够达到一定的精度要求。本文设计的电容式硅微机械陀螺仪加工所需版图三张，陀螺仪的整体结构版图如图4所示。

本文所设计的陀螺仪结构以玻璃作为主体硅结构的衬底，玻璃上的溅射金属作为传感器的电极，电极层版图如图5所示，Bonding层和结构层的版图见图6与图7。

5 封装分析 封装是利用某种材料将芯片保护起来，并与外界环境隔离的，具有保护作用外，除此之外，封装还具有如下作用：l、)为器件提供合适的外引线结构；2、)为芯片提供散热和电磁屏敝条件；3)为器件提供真率或其他特殊的环境；4)提高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力。所以传感器的可靠件问题很大程度上来自于封装。 在封装过程时，芯片对封装产生的残余应非常敏感。封装主要是采用胶把微陀螺仪结构粘结在管壳上，并把电极引线引山。在封装程前，必须注意管壳，胶与微结构底层玻璃的热膨胀系数是否匹配，如不匹配，封装时就会引入热应力，从而使陀螺结构产生变形，严重时甚至发生结构破坏。因此，在封装设计时，需要采用与陀螺结构热膨胀系数相匹配的胶与管壳。尽量减少残余应力的产生。

在陀螺工作时，质量块与电极之间会产生一定的压膜阻尼，影响检测电容的灵敏度，因此，采用真率封装，减少检测时质量块与电极之间的阻尼，会得到更好的检测灵敏度。6 结论 本论文提出了一种静电梳齿驱动、电容检测的电容式微机械陀螺仪，结构采用音叉式解梢结构，可以得到较高的灵敏度。本文分析了结构的工作原理，并对对陀螺进行了静力学仿真与模态仿真，静力学仿真分析证明本结构可以承受一定的冲击载荷，模态仿真与理论计算想接近，结构设计合理，并符合工艺加工的要求。采用体硅标准工艺设计了陀螺的工艺版图，对其进行了封装分析。本结构的具体尺寸必须根据加工工艺来设计，目前的工艺对结构的限制较大，目前的工艺对结构的限制较大，如提高相应的加工工艺水平，可以对结构进行改进，使陀螺仪得到更高性能。

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