MEMS 环形陀螺模态间刚度耦合频率调谐
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TH89

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科 技 部 国 家 重 点 研 发 计 划 ( 2022YFB3205000 )、 国 家 自 然 科 学 基 金 NSAF 联 合 基 金 ( U2230206 )、 山 西 省 基 础 研 究 计 划(20210302123020)项目资助


MEMS ring gyro frequency tuning for intermodal stiffness coupling
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    摘要:

    MEMS 陀螺结构的驱动和检测模态谐振频率差(Δf)是决定其机械灵敏度的主要因素,当 Δf≈0 时,陀螺处于频率调谐 状态,此时陀螺的机械灵敏度达到最大值。 本文针对一种电容式全对称 S 形弹性梁硅基环形波动陀螺,对其使用调频电压进行 频率调谐过程中发现,模态间存在一定的刚度耦合。 本文分析其模态间刚度耦合产生的原因是结构误差(环形谐振子的结构 误差主要体现在两个振动参数,一个是频率,另一个是阻尼),由于调频电压改变的主要参数是刚度系数,所以本文仅对频率误 差进行建模分析。 首先,介绍了环形陀螺结构,同时以此结构为基础分析了静电负刚度原理。 其次,分析了其频率误差产生的 原因,并建模推导出调频电压对两个工作模态产生的影响。 最后,结合理论模型和实验结果比对,验证理论推导的正确性,并通 过实验验证频率调谐状态下对环形陀螺的灵敏度提升了 2. 7 倍。

    Abstract:

    The driving and detection modal resonant frequency difference (Δf) of MEMS gyro structure is the main factor that determines its mechanical sensitivity. When Δf≈0, the gyro is in the frequency tuning state, and the mechanical sensitivity of the gyro reaches the maximum value. In this article, a capacitive fully symmetric S-shaped elastic beam silicon ring wave gyro is presented. In the process of frequency tuning with frequency modulation voltage, there is a certain stiffness coupling between the modes. This article analyzes that the reason for the stiffness coupling between modes is the structural error. The structural error of ring harmonic oscillator is mainly reflected in two vibration parameters. One is frequency, and the other is damping. Since the main parameter of frequency modulation voltage change is the stiffness coefficient, this article only conducts modeling analysis on the frequency error. Firstly, the structure of ring gyro is introduced, and the principle of electrostatic negative stiffness is analyzed based on this structure. Secondly, the causes of frequency error are analyzed, and the influence of frequency modulation voltage on the two operating modes is deduced by modeling. Finally, by comparing the theoretical model with the experimental results, the correctness of the theoretical derivation is evaluated, and the sensitivity of ring gyro is increased by 2. 7 times under the condition of frequency tuning.

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引用本文

陈 钢,刘宇鹏,崔 让,申 冲,曹慧亮. MEMS 环形陀螺模态间刚度耦合频率调谐[J].仪器仪表学报,2023,44(9):220-227

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  • 在线发布日期: 2024-01-24
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