电容式硅微陀螺的结构优化和检测技术研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文电容式硅微陀螺的结构优化和检测技术研究博士研究生：刘博指导教师：郝燕玲教授学科、专业：导航、制导与控制哈尔滨工程大学2016年03月万方数据万方数据分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文电容式硅微陀螺的结构优化和检测技术研究博士研究生：刘博指导教师：郝燕玲教授学位级别：工学博士学科、专业：导航、制导与控制所在单位：自动化学院论文提交日期：2016年01月论文答辩日期：2016年03月学位授予单位：哈尔滨工程大学万方数据万方数据ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeof

2、D.EngResearchonStructuralOptimizationandDetectionoftheCapacitiveMicromachinedGyroscopeCandidate:LiuBoSupervisor:Prof.HaoYanlingAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:Navigation,GuidanceandControlDateofSubmission:January,2016DateofOralExamination:March,2016University:HarbinE

3、ngineeringUniversity万方数据万方数据哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔

4、滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日万方数据万方数据电容式硅微陀螺的结构优化和检测技术研究摘要微机电加工技术(MEMT,Micro-El

5、ectro-MechanicalTechnology)在近年来日益成熟，微机械陀螺结构集成度也随之不断增高、应用环境更加多样化，获得高性能指标所面临的问题越来越复杂。在微机械陀螺微小型化的过程中，电场的边缘效应和电容检测中的非线性特性对微机械陀螺的性能指标的影响也更加明显。目前，提高微机械陀螺性能指标的方法主要分为优化微陀螺系统结构设计和改良微陀螺检测方式两方面。本文从上述两方面入手研究提高微机械陀螺系统性能和稳定性的方法，提出微陀螺结构参数的选取原则和微陀螺的优化结构设计模型，并对提出的新型微陀螺设计进行仿真分析，针对微陀螺中的非线性问题，对微陀螺系统的检测方式进行优化

6、改良和实验验证，主要内容安排如下：1、推导了多自由度微陀螺性能指标与结构参数间的数学关系，建立了多自由度微陀螺结构参数的设定原则。重点分析了微陀螺系统的带宽和增益等性能指标与微陀螺部件质量、弹性悬梁弹力值和空气阻尼等机械参数之间的耦合关系。仿真验证设计模型的可行性，并找到一种可以优化微陀螺系统性能的整体设计方案。实现微陀螺机械结构参数与最终陀螺输入指标形成更为具体的量化对应关系，为下一阶段设计更为复杂的微陀螺结构提供理论基础。2、针对陀螺共模干扰问题提出了一种具有两组对称结构感应模态振荡器的微陀螺设计方案。陀螺中激励模态和感应模态均采用二自由度振荡器，通过施加反向激励使得

7、两感应单元在激励方向始终反向运动，以两感应模态的差动输出作为微陀螺系统的最终输出从而消除共模干扰。该结构中振动部件被设计成单自由度弹性悬梁，微陀螺整体结构形成双解耦结构消除机械耦合。3、针对单感应模态微陀螺系统中存在陀螺增益和带宽相互制约的不足进行微陀螺结构的组合设计。第一种设计形式采取单自由度与二自由度振荡器交替检测策略，充分利用了在激励频率稳定时，单自由度振荡器具有极高敏感度的优势。同时陀螺的感应模态可以切换为二自由度振荡器，从而有效拓展检测带宽；优化设计的第二种形式采用的是多组二自由度振荡器组合检测策略，该方法利用两组具