РАСЧЕТ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА С C ПОМОЩЬЮ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

И.Е. Лысенко; Д. В. Науменко

И.Е. Лысенко Южный Федеральный Университет
Д. В. Науменко Южный Федеральный Университет

Ключевые слова: МЭМС, микрогироскоп, конечно-элементный анализ, модальный анализ, гармонический анализ, резонанс

Аннотация

Микромеханические вибрационные гироскопы являются одним из устройств микроэлек-тромеханических систем (МЭМС) и предназначены для измерения угловой скорости. В данной работе исследуется модель одномассового микромеханического гироскопа LL-типа, изготавли-ваемого по объемной кремниевой технологии с толщиной приборного слоя 50 мкм. Целью ра-боты является изучение измерительных свойство прибора с определенной частотной настрой-кой. Описаны проведенные для этого исследования его динамических характеристик, частот-ного отклика при воздействии гармонических нагрузок эквивалентных тем, что будут воздей-ствовать при реальной работе микрогироскопа на изготовленный чувствительный элемент. АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) МЭМС гироскопа существенно зависит от конструкции и топологии чувствительного элемента. При выборе конструкции закладываются качественные характеристики и алгоритм его функционирования, при разработке топологии получаются количественные характеристики существенно влияющие на измерительные свой-ства прибора. Получение амплитудно-частотных характеристик на этапе проектирования позволит оценить предельные точностные характеристики, определить его чувствитель-ность, провести оптимизацию конструкции гироскопа для улучшения его конечных характери-стик. В статье описана последовательность произведенных расчетов для получения АЧХ и определения чувствительности к угловой скорости методом конечных элементов в программ-ном пакете ANSYS Workbench. В результате исследований определены собственные частоты ММГ по двум осям, по полученным АЧХ графическим способом определена полоса пропускания, определена зависимость изменения емкости от угловой скорости. По полученным результатам анализа проведена оценка измерительные свойство прибора и рекомендации по его дальнейшей частотной настройке и оптимизации.

Литература

1. Барбин Е.С., Баранов П.Ф,, Коледа А.Н., Нестеренко Т.Г., Пересветов М.В. Моделиро-вание конструкционных и динамических характеристик двухкомпонентного микроме-ханического гироскопа // Вестник науки Сибири. – 2013. – № 1 (7). – С. 96-105.
2. Драгунов В.П., Остертак Д.И. Расчёт латеральной составляющей электростатической силы в МЭМС // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2009. – № 1. – С. 229-233.
3. Тимошенков С.П., Кульчицкий А.П. Применение МЭМС-сенсоров в системах навигации и ориентации подвижных объектов // Нано - и микросистемная техника. – 2012. – № 6. – С. 51-56.
4. Аравин В.В., Вернер В.Д., Сауров А.Н., Мальцев П.П. МЭМС высокого уровня – возмож-ный путь развития МЭМС в России // Нано - и микросистемная техника. – 2011. – № 6. – С. 28-31.
5. Евстифеев М.И. Классификационные признаки конструкций микромеханических гиро-скопов // Гироскопия и навигация. – 2004. – Т. 46, № 3. – С. 30-37.
6. Cenk Acar and Andrei M. Shkel. Structurally decoupled micromachined gyroscopes with post-release capacitance enhancement // J. Micromech. Microeng. – 2005. – Vol. 15. – P. 1092-1101. – Doi: 10.1088/0960-1317/15/5/028.
7. Лысенко И.Е. Проектирование сенсорных и актюаторных элементов микросистемной техники. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – 103 с.
8. Лысенко И.Е. Ежова О.А. Исследование влияния параметров элементов подвесов на собственную частоту конструкции микромеханического сенсора линейных ускорений // Нано- и микросистемная техника. – 2016. – Т. 18, № 6. – С. 386-390.
9. Alper S.E., Azgin K. and Akin T. A high-performance silicon-on-insulator MEMS gyroscope operating at atmospheric pressure // Sensors and Actuators A. – 2007. – Vol. 135. – P. 34-42. 10. Yazdi N, Ayazi F, Najafi K. Micromachined nertial sensors // Proceedings of the IEEE. – 1998. – Vol. 86 (8). – P. 1640-1659.
11. Kovacs G.T.A., Maluf N.I., Petersen K.E. Bulk micromachining of silicon // Proceedings of the IEEE. – 1998. – Vol. 86 (8). – P. 1536-1551.
12. Ishihara K., Yung C.F., Ayon A.A., Schmidt M.A. An inertial sensor technology using DRIE and wafer Bonding with interconnecting capability // Journal of Microelectromechanical Sys-tems. – 1999. – No. 8 (4). – P. 403-408. – DOI: 10.1109/84.809054.
13. Apostolyuk V. Theory and design of micromechanical vibratory gyroscopes. In MEMS/NEMS Handbook. – Springer, 2006. – P. 173-195. 14. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – Тула: Гриф и К, 2004. – 476 с. 15. Acar C. and Shkel A. MEMS vibratory gyroscopes–Structural approaches to improve robust-ness // In MEMS Reference Shelf Series. – New York: Springer, 2009. – ISBN: 978–0–387–09535–6.
16. Лысенко И.Е., Синютин С.А., Воронков О.Ю. Разработка поведенческой модели сенсора линейного ускорения с двумя осями чувствительности для моделирования в среде Simulink программного пакета MatLab // Инженерный вестник Дона. – 2014. – № 4.
17. Бруяка В.А., Фокин В.Г., Кураева Я.В. Инженерный анализ в Ansys Workbench: учеб. пособие. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. – 149 с.
18. Леонтьев Н.В. Применение системы ANSYS к решению задач модального и гармониче-ского анализа. – Нижний Новгород, 2006. – 101 с. 19. .Куликова И.В., Лысенко И.Е., Приступчик Н.К., Науменко Д.В. Методика расчета влия-ния термоупругих напряжений на динамические характеристики МЭМС // Инженерный вестник Дона. – 2015. – № 3.
20. Лысенко И.Е., Ежова О.А. Критерии равенства собственных частот колебаний чувстви-тельных элементов микромеханических гироскопов-акселерометров // Инженерный вестник Дона. – 2014. – № 2. – URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2475.