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1、ASOOCHOWUNIVERSITY硕士学位论文m论文题目MEMS角振动陀螺的结构建模与仿真分析研究生姓名周铭指导教师姓名郭述文专业名称微电子学与固体电子学研究方向MEMS结构设计与仿真论文提交日期2015年4月MEMS角振动陀螺的结构建模与仿真分析摘要IMEMS角振动陀螺的结构建模与仿真分析摘要IMEMS角振动陀螺的结构建模与仿真分析摘要MEMS角振动陀螺的结构建模与仿真分析摘要作为MEMS技术的一个重要应用领域，MEMS陀螺以其低成本、体积小、可靠性高、功耗低等优点，已广泛应用于汽车、电子以及航空航天等各个
2、领域，是各国关注的重点研究技术之一。鉴于上述背景，本文设计了一种抗过载、高灵敏度、100Hz带宽的角振动陀螺结构，理论分析了该结构的驱动力矩和科氏力矩，建立了陀螺两工作模态的动力学方程，得到了机械灵敏度、带宽的解析表达式。分析了陀螺两工作模态的气体阻尼，并从热弹性损耗的角度分析了硅基谐振陀螺高Q值的实现方式。其次，基于ANSYS有限元仿真分析技术，完成了陀螺的模态分析、热弹性阻尼分析、滑膜和压膜阻尼分析、抗过载分析以及驱动幅度分析。仿真结果表明，设计的结构满足带宽的设计目标，在高真空度下具备高Q值的实现可能，且
3、具有在无保护装置下抗高过载的能力。通过与实验数据对比，验证了陀螺Q值和抗过载能力的仿真结果。最后，基于层合理论建立了角振动陀螺封装的解析模型，计算了热应力导致的芯片弯曲及其曲率半径。在此基础上，从工艺中键合误差的角度，建立了基于热应力和键合误差的零偏温度特性的解析计算模型，解释了角振动陀螺的零偏温度特性。通过与三个批次陀螺实验数据的对比，验证了该计算模型，并给出了封装的定量优化。关键词：MEMS陀螺，有限元分析，抗过载，层合模型作者：周铭指导老师：郭述文IAbstractStructureModelingand
4、SimulationofMEMSAngularVibratoryGyroscopeStructureModelingandSimulationofMEMSAngularVibratoryGyroscopeAbstractAsanimportantapplicationofMEMStechnology,withtheadvantagesoflowcost,smallsize,highreliabilityandlowpowerconsumption,MEMSgyroscopehasbeenwidelyusedin
5、automotive,electronics,aerospaceandotherfields.Manycountrieshavetakenitasoneoftheprioritytechnologiesmustbefocused.Asthebackgroundpresentedabove,ananti-overloadangularvibratorygyroscopestructurewithhighsensitivityandabandwidthof100Hzwasdesigninthispaper.Thed
6、rivingandCoriolismomentsofthestructurewerederived,basedonwhich,thedynamicequationsofthetwooperationmodesweretheoreticallymodeled.Then,analyticalexpressionsofthemechanicalsensitivityandbandwidthwereobtained.Theairdampingoftwooperationmodeswereanalyzed,andason
7、eoftheconsiderations,thermo-elasticlosswasanalyzedforthedesignofsiliconresonatorgyroscopewithhighQvalue.Secondly,basedontheANSYSfiniteelementanalysistechnology,themodal,thermo-elasticdamping,airdamping,high-gresistanceanddriveamplitudewereanalyzed.Simulation
8、resultsshowedthatthestructuremetthedesignedgoalofbandwidth,hadahighQvalueinhighvacuum,andhadtheabilitytosurvivalinhighoverloadwithoutstopper.Comparedwiththeexperimentaldata,theresultsofQvalueand
