FINITE-ELEMENT MODELING OF AMPLITUDE-FREQUENCY CHARACTERISTICS OF THE SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL GYROSCOPE
Abstract
Micromechanical vibration gyroscopes are one of the devices of microelectromechanical systems (MEMS) and are designed to measure angular velocity. In this work, we study a model of a single-mass micromechanical linear gyro, manufactured by bulk silicon technology with an instrument layer thickness of 50 μm. The aim of the work is to study the measuring property of the device with a specific frequency setting. The studies of its dynamic characteristics, frequency re-sponse under the influence of harmonic loads equivalent to those that will affect the actual opera-tion of the micro-gyroscope on the manufactured sensing element are described. The frequency response (amplitude-frequency characteristic) of the MEMS gyroscope significantly depends on the design and topology of the sensitive element. When choosing a design, the qualitative charac-teristics and the algorithm of its functioning are laid down; when developing a topology, quantita-tive characteristics are obtained that significantly affect the measuring properties of the device. Obtaining the amplitude-frequency characteristics at the design stage will allow us to estimate the limiting accuracy characteristics, determine its sensitivity, and optimize the design of the gyro-scope to improve its final characteristics. The article describes the sequence of calculations made to obtain the frequency response and determine the sensitivity to angular velocity by the finite element method in the ANSYS Workbench software package. As a result of the research, the MEMS gyro natural frequencies were determined along two axes, the bandwidth was determined graphically by the frequency response, and the dependence of capacitance on angular velocity was determined. According to the obtained results of the analysis, the measuring property of the device and recommendations for its further frequency tuning and optimization were evaluated.
References
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.
