硅微陀螺的设计与仿真

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1、题目：XI’ANTECHNoLOGICALUNIVERSlTY硕士学位论文硅微陀螺的设计与仿真作者：刘军洁指导教师：王伟副教授申请学位学科：微电子学与固体电子学2010年6月4日硅微陀螺的设计与仿真学科：微电子学与固体电子学研究生签字：指导教师签字：壶tl珲f乏I摘要lUtlllllU111111lY1750089硅微陀螺作为MEMS技术的一个重要应用领域，由于其体积小、重量轻、性能稳定以及成本低廉等优势，自问世以来，已被广泛应用于航空航天等国防军事领域以及汽车和电子等民用领域，是各国关注的重点研发技术之一，具有强大的

2、生命力和广泛的应用前景。本文围绕一种无需真空封装，可在大气环境下工作的Z轴硅微机械陀螺仪，通过对敏感结构仿真和优化设计，进行陀螺器件的设计和特性研究。主要研究内容如下：针对本陀螺主要应用于高过载环境，以及采用MEMS体硅工艺加工技术，通过对折叠梁和电容梳齿等结构设计分析，使用静电驱动、电容检测的器件设计模式，完成陀螺敏感器件的整体结构设计，提出一种具有较大质量块以及解耦能力的高灵敏度器件结构。其次，基于ANSYS有限元仿真分析技术，完成陀螺的抗过载分析、模态分析、空气阻尼分析以及结构稳定性分析等，仿真结果表明，陀螺初步

3、设计具有一定的抗过载能力和电容检测能力，但是与其目标性能指标要求仍存在一定差距。最后，根据器件仿真分析结果，以及硅微陀螺主要性能指标要求，从指标性约束和设计性约束两方面考虑，结合体硅加工工艺特点，确定优化目标函数，完成整体结构的优化设计，得到敏感元器件的最终模块布局与几何参数。经过理论分析与仿真实践验证，优化后的大质量块陀螺敏感器件具有较高的抗过载能力，结构性能稳定，解耦能力强，灵敏度较高，电容检测能力较强，基本上满足应用于军事弹药的性能要求，为陀螺的进一步研制提供了重要的参数依据和打下了坚实基础。关键词：硅微陀螺；M

4、EMS技术；有限元仿真分析；优化设计；抗过载能力；灵敏度DesignandSimulationofSiliconMEMSGyroscopeDiscipline：MicroelectronicsandSolidElectronicsStudentSignature：l··、，^f，肌jwU’巳SupervisorSignature：AbstractAsaIlimpo删applicationofMEMStechnology，MEMSgyroscopehasadV跗吨esolsmallv01啪e，hi曲reliability

5、andlowcostetc．SincethedevelopmentoffirstMEMSg邺scope，MEMSgyroscopeshowslli曲growthpotentialinthedefenseindustryandc1V1liIldusnv．Ithasbeenappliedinaeronautical-spaceandauto。electronicengineeringextensⅣely．Manycountrieshaveseenitasoneofprioritytechnologiesmustbefocu

6、sed·Tl：呻ughthestructuralsimulationandoptimaldesignofthesensitivedevice，thedeslgn觚dcharact嘶SticsofZ-axissiliconMEMSgyroscopewhichcanworkatatmosphencp陀ssurewasdescribedinthisthesis．Themaincontentsoftheresearchareasfollows：Aimedat印plyinginhigh．genvironmentandadopti

7、onofMEMSBulk-Siliconprocesslngtechn0109y，notonlytheoverallstmcn鹏designofthesensitivedevicebasedonananalyslsofthebendingbe锄sandfingersbutalsothedesignpattemofElectrostaticdriVeandcapacitivesensingwasachievedinthisthesis．Asensitivedeviceofgyrowithstrucn鹏oidecoupli

8、ngwithlarge-massandhigh-sensitivitywasproposed·Secondlv，basedontheANSYSfiniteelementsimulationanalysistechnology，thehigll．gresistance，modal，airdamping，andstructuralst