硅基MEMS谐振陀螺能量耗散机理分析与仿真计算

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硅基MEMS谐振陀螺是用于测量运动体角度或角速度的重要惯性器件,具有体积小、功耗低、可靠性高及低成本等特点,已广泛应用于消费类电子、航空航天等各个领域。品质因数是这类器件的核心参数之一,品质因数的高低直接决定了灵敏度和可靠性的优劣。环境压强、材料热弹性以及锚点形状是直接影响品质因数的关键因素。国内外已有相关方面的成果报道,但系统地研究影响陀螺Q值的阻尼机理还鲜有报道。鉴于以上背景,本文以MEMS摇摆式角振动陀螺为主要研究对象,给出了陀螺结构和模态仿真结果,分析了陀螺在工作模态谐振时的力学特性。在充分研究其结构的基础上,系统地分析了角振动陀螺阻尼的形成机制,重点分析了气体阻尼、热弹性阻尼以及锚点阻尼。基于Couette流模型和Stokes流模型创建驱动模态滑膜阻尼数学模型,采用有限差分法求解雷诺方程建立敏感模态压膜阻尼解析模型,并与有限元分析结果进行对比验证。研究了角振动陀螺热弹性阻尼与锚点阻尼形成机理与特点,并给出有限元仿真结果。全面分析了在不同条件下,各阻尼机制对结构能量耗散的影响。仿真和计算结果表明,室温(25℃)下,压强在0.1Pa以上时,气体阻尼为主要能量耗散机制;0.1Pa以下时,本征损耗,即热弹性阻尼与锚点阻尼为主要损耗机制,是限制角振动陀螺Q值的主要因素。硅基谐振陀螺阻尼机制解析模型与仿真方法为进一步研究MEMS结构性能提供了一定的理论参考。
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