模态分析的单一结构Multiaxis MEMS陀螺仪

文摘

本文报告设计一个单一结构屏遮MEMS电容式陀螺仪是能够测量三个角速度的一个驱动器。支持交叉耦合的z字形梁弹簧应用于抑制不必要的模式,减少压力的影响在春天结束。独特的耦合弹簧已经改变了传动,由于幻灯片阻尼的驱动方式一直在减少。减少会导致更高的性能的传感器对真空度要求较低,降低了制造成本。仿真分析已经完成在COMSOL多重物理量和Matlab仿真软件为制造定型。有限元分析后,开车,敏感技术,敏感技术,敏感技术,分别是13.30 KHz, 13.40 KHz, 13.47 KHz,和13.51 KHz。

1。介绍

今天大部分的惯性传感器是基于微机电系统(MEMS)。由于使用MEMS技术,重量轻的当代传感器设计,低成本,小体积。与MEMS传感器的优势实现高性能与低功耗1]。MEMS惯性传感器包括陀螺仪和加速度计。加速度计和陀螺仪传感器之间的MEMS行业发挥着重要的作用。陀螺仪用于测量三个垂直的轴旋转角,也就是说,- - - - - -,,或设在,而加速度计用于线性加速度。陀螺仪用于衡量一个轴旋转称为单轴陀螺仪而陀螺仪用于多个轴被称为multiaxis陀螺仪。大多数情况下,单轴陀螺仪设在设计不同的方法识别的研究(2- - - - - -5]。同时,许多multiaxis陀螺仪设计出版了传感两个或三个轴角速度(5- - - - - -8]。在[7,8),提出了设计需要三个独立的驱动电压,因为他们是基于三个驱动结构。然而,这些设计,导致复杂的电路和更多的能源消耗。

由于规模小,性能高,单一结构屏遮陀螺仪目的是MEMS传感器产业。单一结构的使用陀螺仪不仅简化了电子设计,也会导致低功耗,低成本,减少了噪声在整个系统。这些优势铺平途径广泛应用惯性测量单元(imu)的行业,例如,电子稳定控制,身体运动动力学,手机游戏,图像稳定等等。

赢得空间,大多数MEMS艾莫斯两平面设计结合加速度计和陀螺仪(- - -相互重合的平面外加速度计和陀螺仪(设在),它允许将所有传感器在单个芯片上(9]。单独传动质量有优势调整所有的陀螺仪(- - - - - -- - - - - -,陀螺仪)在一个结构减少了6-degree-of-freedom(绑)IMU死大小和MEMS传感元件的成本10,11]。

运动传感组合传感器是一个热门话题由于艾莫斯的广泛应用以及市场潜力和球员之间的竞争。最近,由于日益增长的趋势6 -和9-DOF设备应用,现场领导人(例如,意法半导体,博世,Invensense AKM,和mCube等等)设计了创新的技术解决方案,正确的专利(12,13)来保护自己的发明。

为提高艾莫斯性能和尺寸减少,许多不同的设计发表针对单一结构屏遮MEMS陀螺仪(13- - - - - -16]。的研究(13)表明一个集成的单驱动三轴MEMS陀螺仪,驱动结构有所改善,改善驾驶运动取得了利用交叉耦合弹簧。耦合驱动质量确保他们与给定阶段由于弹性耦合同步运动元素。联轴器的传动质量,使他们相互同步运动,作者在15)建议u型同步温泉附近的中心设备。的研究(16]提出了振动环弹簧的设计使所有必要传感方案提出硬件角速率。另一个单一结构triaxis陀螺设计已申请专利17];然而,拟议的陀螺设计利用锚在春天的耦合系统,可以有锚在驱动方式操作期间的损失。此外,这些锚的使用也增加了复杂性和制造步骤。

意法半导体之间的冲突和Invensense也为研究人员打开了新方法的单一结构屏遮陀螺仪。例如,一个单一结构分析了硬件陀螺仪减少有关耦合通过使用二次辅助质(18]。在[19),作者提出了一个单驱动陀螺仪质量高的共振频率。

在MEMS运动传感器设计中,弹性元素扮演非常重要的角色。这是由于一个事实,即弹簧梁设计的,能够提供所需的转导,传输振动和能改善系统的影响。以来,陀螺仪是受到外力的影响和加速度,因此,它成为关键提供振动系统的弹性系数和减轻弹簧梁的外部影响。为此,许多研究已经完成在弹性元件(20.,21]。在[21),作者分析了MEMS传感器技术中常用的弹簧的性能。

折叠弹簧已经使用在许多出版MEMS惯性传感器设计由于低横轴误差(22),这些传感器的移动部件的完美动作。另外,在单一结构MEMS陀螺仪的设计,折叠或u形弹簧的耦合主要用于传动质量。加入单独传动质量需要耦合成一个春天。几乎所有前面的建议设计提出的使用相同的典型耦合弹簧。例如,设计提出了(15,16)建议使用u型耦合弹簧。然而,u型和交叉耦合弹簧导致更高的应力性骨折而新的独特的耦合弹簧建议摘要,这是连接两个点的驾驶质量。由于单点附件的u型和交叉耦合弹簧驱动质量,他们收到大压力效应终点(图3 (b)),在操作会导致弹簧断裂。

在本文中,一个单一结构屏遮MEMS陀螺仪已经提出了一个独特的耦合弹簧。z字形梁的支持已经引入了折叠弹簧和抑制不需要的模式。耦合弹簧由折叠弹簧支持z字形光束。这封信提出的工作是我们之前的扩展研究[23]分析了设计和结果呈现在COMSOL广泛的仿真设计的多重物理量和Matlab仿真软件。

2。结构分析的设计

该设计是一个单一结构三轴MEMS电容式陀螺仪与1428年的维度μm×1428μm。该装置固定在五个位置。陀螺仪包括四个驾驶质量四个耦合的耦合弹簧如图1。该设计能够测量螺距,滚,偏航角速度电极盘子可以放在下面的衬底- - -敏感技术质量的证据。应用辊角速度,MEMS陀螺仪,电极下面敏感技术证明质量是用来应用辊角速度,。同样,角速度,感觉到利用下的电极敏感技术质量的证据。此外,遥感偏航角速度,每个感觉质量包括感觉移动和固定电极。发现偏航角速度,,固定和可移动电极之间的电容的变化来衡量。当一个偏航角速度,应用于MEMS陀螺仪,两个敏感技术质量在方向相反。通过这种方式,改变电容固定和可移动电极之间发生。图1显示了该陀螺仪,包含固定部分和移动质量。进一步简化模型提出了陀螺仪在图表示2。在图2,代表春天的耦合,用于推动群众。从COMSOL共振频率的仿真结果如图所示3。

2.1。耦合弹簧

弹簧梁交付所需的转导,MEMS陀螺仪设计中扮演着重要的角色。提出了陀螺仪有更多的弹性元素已被正确地分布在设计让所有动作有用。几乎相同的交叉耦合弹簧被用于之前发表了陀螺仪的设计。提出设计包含一个独特的耦合弹簧包括z字形光束和折叠弹簧。

介绍了z字形光束的支持折叠弹簧。弹簧的耦合具有以下效果:(我)它减少了压力在春天结束弹簧连接在两个点驾驶质量。(2)它已经改变了驾驶质量运动具有减少幻灯片阻尼效应在外面静态和移动的驱动电极。(3)由于使用的z字形折叠梁弹簧,不必要的模式,已经被删除了。

2.2。的影响形梁

耦合的影响弹簧的设计进行了分析。设计模拟和没有z字形梁。之间的差异最终所需的模式和不必要的模式(未来所需的最终模式)在spring情况下进行比较。设计与z字形梁耦合弹簧()被发现有大量频率差异(之间最后的需要和不需要的频率模式而设计没有耦合的z字形梁弹簧()。所需的频率差异和不必要的模式,分别为2072 Hz, 825 Hz的设计,没有z字形梁。这一分析的基础上,设计的z字形梁的支持折叠春天是更好的比没有z字形梁的设计,因为它抑制不必要的模式设计没有z字形梁所示。此外,z字形的耦合弹簧梁有更少的压力作用在春天结束连接到驱动质量比设计没有耦合的z字形梁弹簧如图4。更少的压力效应背后的原因是,z字形梁耦合弹簧连接在传动质量的两个点。这两个设计具有不同耦合弹簧和共振频率图所示5(设计与z字形梁耦合弹簧)和图6(设计没有z字形梁耦合弹簧)。图7显示的图像频率区别两种模式的设计与两种不同的耦合弹簧和。

3所示。幻灯片阻尼估计在推动模式

一般来说,由于周围的空气阻尼可以忽略传统的机械机由于空气阻尼损耗的能量损耗的能量远远小于其他机制。然而,空气阻尼可以影响微机械设备;因此,必须最小化最大化能源消耗空气阻尼运动的机械部件的供应有限的能源。

在微型机械振动系统中,如陀螺仪,通常可以找到两个阻尼的影响,也就是说,幻灯片和压膜阻尼。压膜阻尼主要是由于陀螺仪的出平面运动时;另一方面,幻灯片阻尼是由于横向运动的陀螺仪。流体是由navier - stokes方程。阻尼的方程,,计算24从n - s方程给出如下: 方程(1)代表流体速度的阻尼系数和(无滑动边界条件而2slip-boundary条件)。在(1),梳子的总数,重叠区域的每一对梳子,之间的差距两个梳子,然后呢是流体分子的平均自由程。

在提出的设计中,两双驱动的驾驶动作质量相互反对;也就是说,当一对走向中心的陀螺仪另一对远离中心,反之亦然。由于这推动群众运动,重叠区域的电极连接到一对增加而另一对减少。这种效应会导致整体减少的幻灯片阻尼(17比之前公布参考设计。图8显示了该陀螺仪设计推动大众移动配置与厚度,梳子的重叠长度,。

4所示。Matlab仿真

模拟驱动和sense-mode操作的设计已经完成了Matlab仿真软件。由于简单的实现和零稳态误差,自动增益控制(AGC)和π是常用的自激振荡的陀螺仪(25]。self-oscillating闭环,利用PI控制器,利用Matlab仿真软件模拟。机电参数在仿真期间使用如表所示1,2,3。块图self-oscillating控制回路图所示9。自激振荡回路的闭环传递函数给出

图10显示了一个驱动器的驱动电压感觉三轴陀螺仪。沉淀时间0.7秒在优化值。沉降时间可以进一步减少通过增加收益,这将导致高过头。

还模拟了一种开环检测方案的正交误差是简化和忽略个人电荷放大器用于检测。由于提出了陀螺仪的潜在应用是消费电子产品、5角速率在不同振幅应用dps。作为输入率在共振频率、振幅调制信号相干解调是用来检测相应的输入率如图11。

5。结论和未来的工作

在这项工作中,我们的重点是在小型和大型数据要求,已通过设计和模拟单一结构屏遮陀螺仪。设备的尺寸是1428μm×1428μm是能够测量三个相互垂直的轴。由于使用独特的耦合春天,两双驱动的驱动运动群众反对对方;也就是说,当一对走向中心的陀螺仪,另一对远离中心,反之亦然。由于这推动群众运动,重叠区域的电极连接到一对增加而另一对减少导致整个幻灯片阻尼下降。减少会导致传感器的高性能要求较低真空度的降低MEMS陀螺仪的制造成本。提出的设计模拟COMSOL多重物理量和Matlab仿真软件。引入了一个z字形梁的耦合弹簧的支持折叠弹簧。开车,敏感技术,敏感技术,敏感技术,分别是13.30 KHz, 13.40 KHz, 13.47 KHz,和13.51 KHz。

设备正在制造过程中。制造后,测试将测量真实的品质因数,进行规模因素,倾向稳定,高分辨率,高带宽在我们未来的研究。此外,而不是使用个人电荷放大器,我们正在努力开发计划使用一个电荷放大器的电路。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的研发项目MOTIE / KEIT[10054578,发展核心技术9-axis智能运动传感器)。

引用

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