АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВОГО МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

Т. Г. Нестеренко; П.Ф. Баранов; А.Н. Коледа; Ло Ван Хао

Т. Г. Нестеренко НИ ТПУ. Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности
П.Ф. Баранов НИ ТПУ. Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности
А.Н. Коледа НИ ТПУ. Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности
Ло Ван Хао НИ ТПУ. Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

Ключевые слова: Микромеханический гироскоп, первичные колебания, вторичные колебания, тепловой коэффициент линейного расширения, частотное рассогласование

Аннотация

Исследование характеристик кремниевого микромеханического гироскопа
(ММГ) под воздействием температуры окружающей среды является необходимым
для решения задачи обеспечения стабильности его характеристик. Испыт ания ММГ
показали, что резонансные частоты увеличиваются с повышением температуры.
Основной причиной этого является возникновение напряжений в упругих подвесах из -
за несоответствия между тепловыми коэффициентами линейного расширения
(ТКЛР) кремниевой структуры и стеклянной подложки. Кремниевый чувствительный
элемент гироскопа был спроектирован таким образом, чтобы собственные частоты
первичных и вторичных колебаний составили 12,5 кГц и частотное рассогласование
между ними не более 10 Гц. Исследуемый образец чувствительного элемента был
упакован в корпусе под давлением 10-2 Па. Результаты испытаний показали, что со б-
ственная частота первичных колебаний при 20°C принимает значение 12,585 кГц, а
собственная частота вторичных колебаний равна 12,609 кГц.Температур ные коэф-
фициенты изменения собственной частоты первичных и вторичных колебаний с о-
ставляют 1,61 Гц/°C и 1,31 Гц/°C.

Литература

1. Raspopov V.Ya. Mikromekhanicheskie pribory [Micromechanical devices]. Moscow:
Mashinostroenie, 2007, 400 p.
2. CenkAcar, Andrei M.S. MEMS vibratory gyroscopes structural approaches to improve robustness,
MEMS Reference Shelf.Library ofCongress Control Number: 2008932165, 2009, 262 p.
3. KorhanSahin, EmreSahin, Said EmreAlper. A wide-bandwidth and high-sensitivity robust
microgyroscope, J. Micromech. Microeng, 2009, Vol. 19, 8 p.
4. Lili. D., Avanesian. D. Drive-mode control for vibrational MEMS gyroscopes, IEEE Transactions
on Industrial Electronics, 2009, No. 4, pp. 956-963.
5. Nguyen C. T.-C. Micromechanical resonators for oscillators and filters, Proceedingsof the
1995 IEEE International Ultrasonics Symposium, 1995, pp. 489-499.
6. Sovremennye MEMS-giroskopy i akselerometry [Modern MEMS gyroscopes and accelerometers].
Available at: https://sovtest-ate.com/news/publications/sovremennye-mems_giroskopy-iakselerometry/
(accessed 28 July 2011).
7. Timoshenko S. Vibration problems in engineering. New York. D. Van nostrand company Inc,
1937, 497p.
8. Southwell R.V. Introduction to the Theory of Elasticity for Engineers and Physicists. New
York. Dover Publications Inc, 1970, 509 p.
9. Graham Kelly S. Mechanical Vibrations theory and applications, SI. The university of Akron,
2012, 898 p.
10. Zhiwei Kou, Jun Liu, Huiliang Cao. Investigation, modeling, and experiment ofan MEMS
S-springs vibrating ring gyroscope, J.Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, 2018, Vol. 17, 11 p.
11. Barbin E.S. Dinamika mnogokomponentnogo mikromekhanicheskogo giroskopaakselerometra
s razvyazyvayushchimi ramkami: dis. … kand. tekh. nauk [Dynamics of a multicomponent
micromechanical gyroscope-accelerometer with decoupling frames: cand. of eng.
sc. diss.]. T., 2016, 207 p.
12. Zhanqiang Hou, Dingbang Xiao, Xuezhong Wu. Effect of Axial Force on the Performance of
Micromachined Vibratory Rate Gyroscopes, J. Sensors, 2011, Vol. 11, pp. 296-309.
13. Dunzhu Xia. Microgyroscope Temperature Effects and Compensation-Control Methods,
J. Sensors, 2009, Vol. 9, pp. 8349-8376.
14. Bokaian A. Natural frequencies of beams under compressive axial loads, Journal of Sound and
Vibration, 1988, Vol. 126, pp. 49-65.
15. Bokaian A. Natural frequencies of beams under tensile axial loads, Journal of Sound and Vibration,
1990, Vol. 142, pp. 481-498.
16. Hopcroft M.A., Nix W.D., Kenny T.W. What is the Young's modulus of silicon, Journal of
Microelectromechanical Systems, 2010, Vol. 19, pp. 229-238.
17. Cho C.H., Cha H.Y., Sung H.K. Characterization of stiffness coefficients of silicon versus
temperature using “Poisson’s ratio” measurement, Journal of Semiconductor Technology and
Science, 2016, Vol. 16, pp. 153-158.
18. Cho C.H., Cha H.Y., Sung H.K. Characterization of stiffness coefficients of silicon versus
temperature using “Poisson’s ratio” measurement, Journal of Semiconductor Technology and
Science, 2016, Vol. 16, pp. 153-158.
19. Obukhov V.I., Denisov R.A. Inzhenernye metody rascheta temperaturnykhpogreshnostey
integral'nykh datchikov [Engineering methods for calculating temperature errors of integrated
sensors], Tr. Nizhegorodskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. R.E. Alekseeva
[Transactions of the Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev],
2010, No. 1, pp. 300-305.
20. Benham P.P., Crawford R.J. and Armstrong C.G. Mechanics of engineering materials. 2nd ed.
Lecturer’s solutions manual, 1996, 395 p