解耦微机械陀螺的结构参数稳健优化设计

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1、万方数据解耦微机械陀螺的结构参数稳健优化设÷独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。1仲．学位论文作者签名：l斛孺签字日期：谚‘f年岁月弓日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存

2、、使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学位论文作者签名：闭；％导师签名：J笃(毛签7-II期：加ff年I一月?日签字日期：加11年f月弓日万方数据解耦微机械陀螺的结构参数稳健优化设计摘要微机械陀螺是一类重要的微机电器件，因其在体积、成本、可靠性、功耗等方面具有的优势而具有较广的应用前景。然而同宏观机械系统相比，微器件的结构尺寸和器件性能对于设

3、计参数的变异(通常是由于加工误差引起的)更敏感。因此在结构设计阶段引入稳健设计，可以保证器件性能稳定可靠。本文提出了一种解耦微机械陀螺结构参数稳健优化设计方法。该方法是在确定性工程优化设计基础上，考虑工艺误差引起的结构设计参数变异，利用最坏情况容差分析，考察其变异对器件性能的影响，建立稳健设计数学模型，并开发出可工程化实现的、高效精确的设计流程。(1)介绍了微机械陀螺的工作原理，包括科里奥利效应的、谐振式微陀螺的模态匹配问题，并利用非惯性系动力学推导了结构响应(如模态振幅、模态频率等)。在此基础上，分析了

4、耦合问题，解耦原理，并提出了本文的研究对象——双级解耦微陀螺。随后利用能量法推导了结构中的u形梁刚度，分析了关键设计参数，同时也讨论了两类解耦结构的差异，包括直接运动耦合，静电负刚度，阻尼。(2)研究了微器件的稳健优化设计方法。比较了传统稳健方法与工程稳健优化设计，分析了不同的稳健设计方法，包括随机优化、最小灵敏度法以及容差分析法，提出基于容差分析的稳健设计方法，具体包括：采用最坏情况容差描述设计变量不确定性，这就不需要详尽的误差统计信息；在工程实际中，采用望目特性的目标函数更合适；利用微器件的结构响应构

5、建稳健约束；采用具有全局寻优的遗传算法求解稳健模型。(3)针对本文的研究对象，利用所提出的稳健设计方法建立相应的稳健优化模型。首先研究了微陀螺稳健设计的目标函数，指出采用检测电容作为设计目标较采用模态频率匹配更合适。随后分析了利用微陀螺结构响应(模态频率差)建立稳健约束。为了描述设计变量容差，也分析了体硅加工引入的工艺误差，并据此定义了最坏情况容差。在此基础上开发相应的稳健设计流程。最后对设计结果进行了讨论，包括优化进程、不同稳健设计方法的比较、蒙特卡洛仿真验证。(4)对加工的微陀螺进行了工艺容差统计，分

6、析了工艺误差的均值和标准差，比较了理论设计与实际情况，统计了成品率；同时也对陀螺样机的性能进行了测试。关键词：微机械陀螺，解耦，稳健设计，最优化，加工误差万方数据AbstractMicrogymscopeisoneoftheimportantMicro-Electro-Mechanical-Systems(MEMS)devices．andpotentiallyCallbeusedinawiderangeofapplicationbecause“theadv钮吨essuchaSsmallersize，low

7、ercost，higherreliabilityandlowerpowerconsumptlon·Howwer，thestmctL鹏sizes趾ldperformanceofMEMSdevicealemoresensitiVetoV狮撕onsmdesi鲈par锄etersduetofabricationerrors，comparedtothemacro‘scaledmech唧cmsYstem·Thus。acco吼tingforrobustnessatthedesignstageishighlynecess

8、arytOg础emo托reliableperfbHnances．．．．Thismesisreportsanoptimalrobustmethodforstructuralparametersdeslgnotdecoupledmicrogyroscope．Inproposedapproach，variationsindesignpar锄eterscausedbym趾ufacturinge玎0rsaletakenaccountin