共振隧穿微陀螺仪哥氏效应仿真及理论验证

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1、２０１０年第３１卷第１期中北大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．１２０１０（总第１２９期）﹢﹨﹪﹫﹦﹫﹨﹤﹪﹫﹢（﹢﹢﹤﹫﹦﹤﹦﹦﹥﹫﹫）（ＳｕｍＮｏ．１２９）文章编号：１６７３３１９３（２０１０）０１００８１０７共振隧穿微陀螺仪哥氏效应仿真及理论验证李孟委，汪圣稀，杜康，刘俊，石云波（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原０３００５１）摘要：介绍了微机械陀螺和共振隧穿效应器件的工

2、作原理，提出了基于共振隧穿效应的微机械陀螺仪结构．利用ＡＮＳＹＳ软件仿真分析了输入角速度、角加速度及驱动速度对哥氏效应的影响．对微陀螺仪的检测结构进行了理论建模，详细分析了输入角速度、哥氏力、检测梁正应力三者间的关系，并推导出检测梁正应力的理论计算关系式．经数据分析验证了计算结果与仿真结果是一致的，说明基于ＡＮＳＹＳ软件的仿真分析方法是可行的，能够用于共振隧穿微陀螺仪的结构设计中．关键词：哥氏效应；ＡＮＳＹＳ仿真；共振隧穿效应；微陀螺仪中图分类号：ＴＰ２１２．１２文献标识码：Ａ┄：１０．３９６９燉ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３３１９３．２０１０．０１．０１７│┊━┉┄┃┃┄┇

3、┉━━┉┄┃┄﹤┄┇┄━┈﹦┉┃┈┄┃┃┉┊┃┃━┃┇┄﹩┎┇┄┈┄┅ＬＩＭｅｎｇｗｅｉ，ＷＡＮＧＳｈｅｎｇｘｉ，ＤＵＫａｎｇ，ＬＩＵＪｕｎ，ＳＨＩＹｕｎｂｏ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ＆ＤｙｎａｍｉｃＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ），ＮｏｒｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）﹢┈┉┇┉：Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｇｙｒｏｓｃｏｐｅａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃｓｏ

4、ｆｒｅｓｏｎａｎｔｔｕｎｎｅｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｄｅｖｉｃｅｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｔｕｎｎｅｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｉｎｐｕｔａｎｇｕｌａｒｖｅｌｏｃｉｔｙ，ａｎｇｕｌａｒａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｓｐｅｅｄｔｏＣｏｒｉｏｌｉｓｅｆｆｅｃｔｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｍｉｃｒｏｇｙｒｏｓｃｏｐｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓ

5、ｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｉｎｐｕｔａｎｇｕｌａｒｖｅｌｏｃｉｔｙ，Ｃｏｒｉｏｌｉｓｆｏｒｃｅａｎｄｔｈｅｎｏｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｂｅａｍｗｅｒｅａｎａｌｙｓｉｓｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｎｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｆｏｒｍｕｌａｏｆｎｏｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｂｅａｍｗａｓｄｅｒｉｖｅｄ．Ｉｔｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈａｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｂｙｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄｔｈｅＡＮＳＹＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍ

6、ｅｔｈｏｄｉｓｆｅａｓｉｂｌｅｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｒｅｓｏｎａｎｔｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍｉｃｒｏｇｙｒｏｓｃｏｐｅ．┎┌┄┇┈：ｃｏｒｉｏｌｉｓｅｆｆｅｃｔ；ＡＮＳＹＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｅｓｏｎａｎｔｔｕｎｎｅｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔ；ｍｉｃｒｏｇｙｒｏｓｃｏｐｅ０引言１９９８年，在德国召开的陀螺技术研讨会上，美国陀螺专家Ｄ．Ｄ．Ｌｙｎｃｈ称哥氏振动陀螺（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ收稿日期：２００９１０２９基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０６７５２１２）作者简介：李孟委（１９７５），男，讲师，博士生．主要从事ＭＥＭＳ技术研究．

7、８２中北大学学报（自然科学版）２０１０年第１期ＶｉｂｒａｔｏｒｙＧｙｒｏｓｍ，ＣＶＧ）是一种重要的惯性技术，哥氏振动陀螺不仅具有所有的惯性品质，而且与另外两种固态陀螺（环型激光陀螺和光纤陀螺）相比，还具有可小型化的优势［１］．由于在硅材料上制作转子比较困难，因此绝大多数的微机械陀螺都是振动式陀螺，它们的工作基础都是利用Ｃｏｒｉｏｌｉｓ效应实现驱动和检测模态之间的能量转移［２］．中北大学张文栋、熊继军、薛晨阳等