电容式微机械陀螺仪的设计与仿真分析

Y
X
1
2
3
4
5
电容式微机械陀螺结构示意图如图 1 所示， 本结构采用静电梳齿驱动，静电梳齿驱动的特点 是驱动电量与结构的位移成正比，因此所设计的 陀螺结构可以得到更高的线性度。陀螺工作时， 外加电路提供驱动电压，在静电梳齿的驱动下， 由于结构采用音叉式对称设计，两质量块在 X 方 向相对运动。当系统沿 Z 方向有角速度 Ω 输入时， 质量块在 Coriolis 力的作用下沿 Y 方向上下振动， 且两质量块振动方向相反。从而结构与衬底上的 电极之间的间距发生变化，引起两平面间的电容 变化，电容的变化量与角速度信号成正比。通过 检测电容的变化量，可以得到系统在 Z 方向的角 速度 Ω 。音叉式对称设计，可以得到较高的灵敏 度。
表 2 前六阶模态
模态 频率(Hz)
一阶 7948.1
二阶 7990.0
三阶 117575.
六阶 20019.
(a) 第一阶
(b) 第二阶
图 3 结构前两阶模态云图
3 振动模态分析
陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振频率的计 算, 可以由 Rayleigh(瑞利)能量法确定：
关键词：陀螺仪；设计；电容式 中图分类号: TP212.14 文献标识码：A 文章编号：1672－4801(2011)05-097-04
自八十年代开始，以 IC 工艺为基础的微机械 加工技术逐渐开始应用于传感器的制造，人们开 始研制硅微机械陀螺仪。硅微机械陀螺与传统机 械式陀螺相比，有微型化和集成化、可靠性高和 寿命长、能耗低，易于数字化和智能化动态性能 好等一系列优点，因而得到广泛的应用[1～4]。电 容式微机械陀螺仪是目前微机械传感器研究的重 点，国内外对此展开了大量的研究[5～8]。
图 5 电极层版图
图 6 Bonding 层版图
5 封装分析
封装是利用某种材料将芯片保护起来，并 与外界环境隔离的，具有保护作用外，除此之 外，封装还具有如下作用：1)为器件提供合适的 外引线结构；2)为芯片提供散热和电磁屏蔽条 件；3)为器件提供真空或其他特殊的环境；4) 提高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力[12]。 所以传感器的可靠性问题很大程度上来自于封 装。
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(下转第 105 页)
第5期
宋洪震 等：基于电流比较器的小直径钻头防折断电路设计
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3.3 高低电平开关电路 该电路在高电平(10 V)时，三极管导通，电路
处于通电状态。在低电平(0 V)时，三极管截止， 电路处于断开状态。电路如图 2 所示。 3.4 防折断电路在机床线路中的连接
本电路是通过比较主轴电动机的工作电流大 小，借用高低电平开关来控制摇臂升降电动机的 正反转，从而避免钻头被损坏。所以电流比较器 输入端与主轴电机的控制线路相连接，输出端与 高低电平开关相连接，而高低电平开关与摇臂升
fx
=
1 2π
kx = 7709.3 m
fy
=
1 2π
ky = 7742.3 m
f
=
1 2π
ki m
对以上计算所得谐振频率与仿真的谐振频率 (1) 相比较，驱动模固有频率相差的百分比为：
其中，ki 是支撑系统沿 i 方向的刚度系数，m
是被支撑梁带动的运动部分的等效质量。所以， 从式(1)可知，传感器各阶模态的谐振频率主要取 决于传感器弹性梁在各个方向的弹性系数[11]。
在陀螺工作时，质量块与电极之间会产生一
图 7 结构层版图
定的压膜阻尼，影响检测电容的灵敏度，因此， 采用真空封装，减少检测时质量块与电极之间的 阻尼，会得到更好的检测灵敏度。
6 结论
本论文提出了一种静电梳齿驱动、电容 检测的电容式微机械陀螺仪，结构采用音叉 式解耦结构，可以得到较高的灵敏度。本文 分析了结构的工作原理，并对对陀螺进行了 静力学仿真与模态仿真，静力学仿真分析证 明本结构可以承受一定的冲击载荷，模态仿 真与理论计算想接近，结构设计合理，并符 合工艺加工的要求。采用体硅标准工艺设计 了陀螺的工艺版图，对其进行了封装分析。 本结构的具体尺寸必须根据加工工艺来设 计，目前的工艺对结构的限制较大，如提高 相 应 的 加 工 工 艺 水 平 ，可 以 对 结 构 进 行 改 进 ， 使陀螺仪得到更高性能。
在封装过程时，芯片对封装产生的残余应力 非常敏感。封装主要是采用胶把微陀螺仪结构粘 结在管壳上，并把电极引线引出。在封装程前， 必须注意管壳，胶与微结构底层玻璃的热膨胀系 数是否匹配，如不匹配，封装时就会引入热应力， 从而使陀螺结构产生变形，严重时甚至发生结构 破坏。因此，在封装设计时，需要采用与陀螺结 构热膨胀系数相匹配的胶与管壳。尽量减少残余 应力的产生。
降电机的控制线路相连接。接线原理图如图 3 所 示。
4 结语
本设计通过电流比较输出高低电平来控制信 号开关，由信号开关的通断控制摇臂升降电动机 的正反转，从而实现钻头的防折断功能。该电路 设计简单，功能容易实现，为小直径钻头的防折 断提供了一种新的可行方法。
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2.2 模态仿真
通过模态分析可以确定微机械陀螺结构的模 态参数，主要包括固有频率和振型。微机械陀螺 主要包含两个模态——驱动模态和敏感模态，两 模态固有频率之差对结构的灵敏度有很大的影
响。固有频率之差越小，表明两种模态间的匹配 程度越高，灵敏度越高[9]。
运用 Ansys 对结构进行了六阶模态分析，分 析得到结构的前六阶模态如表 2 所示。
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机电技术
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电容式微机械陀螺仪的设计与仿真分析
张琼
(闽南理工学院，福建 石狮 362700)
摘 要：提出了一种静电梳齿驱动、电容检测的微机械陀螺仪，分析了其工作原理。同时，通过陀螺进行了必要的 仿真和相关的分析计算，并根据加工工艺的要求，得到合理的结构。采用体硅标准工艺设计了陀螺的工艺版图，对其进 行了封装分析。
图 3 为结构的前两阶模态云图，其中，一阶 模态为陀螺的驱动模态，，二阶模态为陀螺的检测 模态。设计时要求陀螺对驱动模态和检测模态频 率要匹配，可以使陀螺达到一定的灵敏度，本结 构两工作模态固有频率相差 42 Hz，基本满足要 求；同时，两阶频率都高于 2000 Hz，不容易受 到环境噪声影响[10]。
算方法，可以得到本结构驱动模态与检测模态的 4 结构加工版图设计
谐振频率为：
在陀螺的制造中，器件的加工受加工(光刻和
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张琼：电容式微机械陀螺仪的设计与仿真分析
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腐蚀)精度的限制，因此对器件图形大小和间距也 有一定的要求要求。设计规则通常用规定图形的 最小宽度，最小间隔等参数。由于各个 MEMS 制 造厂的工艺线加工能力和加工环境不同，每个 MEMS 制造厂都有自己的设计规则。在本结构的 版图设计中，采用中国电子科技集团第十三研究 所体硅标准工艺来设计。体硅标准工艺有制作工 艺简单，成本低等优点，有利于实施批量生产，
6
图 1 电容式微机械陀螺结构示意图
1. 左驱动器；2. 检测电极；3. 中间驱动器； 4. 检测质量块；5. 右驱动器；6. 玻璃
表 1 单晶硅的材料参数
密度
ρ /(kg/m3)
杨氏模量 E/(1011 Nm-2)
泊松比 v
2330
1.69
0.3
2 仿真分析
2.1 静力学仿真 静态仿真是用于求解静力载荷作用下结构的
并且能够达到一定的精度要求。本文设计的电容 式硅微机械陀螺仪加工所需版图三张，陀螺仪的 整体结构版图如图 4 所示。
本文所设计的陀螺仪结构以玻璃作为主体硅 结构的衬底，玻璃上的溅射金属作为传感器的电 极，电极层版图如图 5 所示，Bonding 层和结构 层的版图见图 6 与图 7。
图 4 整体结构版图
图 2 应力分布云图
作者简介：张琼(1983－)，女，助教，研究方向：机械设计、微机械传感器。
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机电技术
2011 年 10 月
当结构在 Z 方向加 10 G 的载荷时，其应力分 布云图如图 2 所示，从图中可以看出，档结构受 到 Z 方向的外加载荷时，本结构的主要危险区域 是梁的部分，应力集中在梁和框架的连接部分以 及梁的折叠部分，其最大应力为 2.8 MP，远小于 硅的许用应力。通过仿真可以证明，本文所设计 的陀螺仪可以承受一定的冲击载荷。
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