双质量线性振动硅基MEMS陀螺仪原理与设计

逍遥设计自动化

引言
4 o3 I, u) z4 c9 eMEMS陀螺仪是基于科里奥利效应工作的惯性传感器。双质量线性振动硅基MEMS陀螺仪通过独特的结构设计实现了更好的性能表现[1] 。

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工作原理
" V; U4 _8 H8 G/ GMEMS陀螺仪的基本工作原理基于科里奥利效应，描述了运动坐标系中质点运动与惯性坐标系中旋转运动之间的相互作用。当绕z轴施加角速度时，科里奥利力会在与驱动轴和旋转轴都垂直的检测方向上产生运动。
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1 i" C& y5 m& |( G图1：科里奥利加速度产生原理示意图，展示了惯性坐标系和壳体坐标系之间的关系。
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陀螺仪结构由两个主要部分组成：驱动模态和检测模态。在理想条件下，这两种模态完全解耦，互不干扰。驱动模态沿x轴振动，而检测模态则通过沿y轴移动来响应角速度输入。
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图2：双质量线性振动硅基MEMS陀螺仪结构的理想机械模型，显示了驱动和检测模态。
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' J# \/ f* @+ X2 i, ]& b& P: {结构设计和特点
  q- Q2 O4 L' N) `- J! b! a该陀螺仪采用对称的双质量设计，具有多项创新特征：

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& n, ~2 F& A0 P! c" b$ @8 L1 U图3：双质量线性振动硅基MEMS陀螺仪敏感结构示意图，显示了包括驱动和检测部件在内的完整布局。

主要结构优势包括：
% \, ?. C. Q, k% v采用独立折梁设计的完全解耦结构，实现驱动模态和检测模态分离
对称分布设计，减小温度影响并提高信噪比
' E# f1 V6 ~" r" ?4 r/ ~( [静电梳齿电容采用重叠面积可变方法
7 l8 ]7 F5 L& m/ h7 |折梁设计确保在线性弹性变形范围内工作
左右质量块连接设计，减少干扰
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模态分析与性能
3 g0 U( l/ F' R1 S1 N结构经过全面的模态分析以了解振动特性。前六阶模态尤为重要：
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图4：显示双质量线性振动硅基MEMS陀螺仪全部六种模态(a-f)的模态仿真图，展示了不同的振动模式。
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模态分析结果显示：
第一模态：同相驱动轴振动
第二模态：反相驱动轴振动（工作模态）
3 Q8 r' F  [! d' F; y5 Q第三模态：同相检测轴振动
: z- h0 ?) y1 n+ A. _第四模态：反相检测轴振动（检测模态）
" v) K! ^1 r; b" Q6 y" e第五和第六模态：Z轴运动
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- Q2 `. T3 h, D, @2 ]1 R/ |应力分析与可靠性
结构经过多种应力分析以确保可靠性：

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图5：驱动和检测方向最大位移下的应力分布和最大应力位置分析，显示了工作过程中的结构完整性。

. ?% q  c  c* X7 J; T3 @( ]冲击阻力经过详细评估：
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# l1 g% g& L, U) S$ `( B* j图6：x方向100g冲击响应分析，显示(a)响应曲线，(b)应力分布，(c)最大应力位置。

同时进行热应力分析：
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图7：热应力分析显示(a)带玻璃基底的模型，(b)温度变化下的应力分布，(c)最大应力位置。
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* g" u* w! V+ H) X1 g制造工艺
- Y9 V9 P( L% ?" t( ~, p陀螺仪可通过两种主要工艺制造：

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5 Y, }4 k* z0 U图8：典型DDSOG（深干法硅-玻璃）工艺流程图，显示逐步制造顺序。
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8 o: @- {; o* g$ x! {图9：典型SOI（绝缘体上硅）工艺流程图，展示替代制造方法。
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DDSOG工艺涉及硅和玻璃基底的键合以及深硅干法刻蚀，而SOI工艺使用全硅结构，中间具有二氧化硅层。每种工艺都有其独特优势：DDSOG具有较低的寄生电容，适用于厚结构；SOI具有较好的温度特性，但由于间隙较小而具有较高的寄生电容。

通过精心设计和制造，双质量线性振动硅基MEMS陀螺仪实现了优异的性能特性，适用于各种精密应用。结构对称性、模态解耦和可靠的制造工艺相结合，确保了在各种环境条件下的稳定运行。

/ R# |) Z' ^9 a% z参考文献
[1] H. Cao, "Dual-Mass Linear Vibration Silicon-Based MEMS Gyroscope," in Introduction. Beijing, China: National Defense Industry Press, 2023.
END
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