仪器仪表学报

作者：曹慧亮，郭天琪，申 冲

单位：曹慧亮,1.中北大学电子测试技术重点实验室,,郭天琪,1.中北大学电子测试技术重点实验室,,申 冲,1.中北大学电子测试技术重点实验室,

关键词：MEMS陀螺仪;抗过载;敏感轴冲击;冲击测试

基金：国家自然科学基金（51705477）、中央军委装备发展部快速扶持项目(80917010501)、基础加强计划技术领域基金(2021?JCJQ?JJ?0315)、山西省基础研究计划面上项目（20210302123020）、山西省重点研发计划项目（202003D111004）资助

本文针对传统MEMS振动陀螺在经历高过载过程无法存活且冲击前后参数变化大的问题,开展了抗高过载MEMS固体波动环形微机械陀螺设计、加工和测试方面的研究工作。首先,提出了全对称梁的陀螺结构形式,该结构能够有效的减小冲击过程在结构中造成的应力残留,配合止挡机构以及灌封技术能够提升陀螺在冲击过程中的存活能力,并在此基础上推导了陀螺的动力学方程和敏感轴冲击振荡运动函数,指出了敏感轴冲击模态的固有频率越高、品质因数越小则越有利于提高陀螺在敏感轴上的抗冲击特性。其次,利用有限元分析软件对陀螺结构进行了模态分析和冲击特性仿真,结果显示在15000g@10ms的冲击作用下,陀螺的最大位移和应力分别为9.46μm和99.6MPa,保证了陀螺结构具有较好的抗冲击裕度。再次,利用较为成熟的玻璃-硅键合和深硅刻蚀工艺实现了陀螺结构的加工,结合陶瓷封装实现了陀螺结构的真空封装,并基于驱动闭环和检测开环回路搭建了陀螺的测试系统。最后,在实验室环境下利用冲击台实现了对陀螺样机的冲击测试,冲击过程(脉宽0.6ms)出现了多个5000g以上的峰值,最大峰值为16050g,陀螺响应时间约为1s,冲击前后陀螺零位变化小于1%,验证了本文研制样机的抗过载能力。

来源：2022年第5期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

查看仪器仪表学报杂志2022年第5期