硅微機(jī)械音叉陀螺電學(xué)等效模型的建立與仿真研究畢設(shè)開題報告

word文檔可自由復(fù)制編輯畢業(yè)設(shè)計(開題報告)硅微機(jī)械音叉陀螺電學(xué)等效模型的建立與仿真研究院（系）名稱機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)名稱精密儀器及機(jī)械學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師課題背景本課題來源于南京理工大學(xué)MEMS慣性技術(shù)研究中心。陀螺是一種感測運(yùn)動體旋轉(zhuǎn)的重要慣性元件，在航天、航海、航空、兵

器以及一些民用領(lǐng)域中有著廣泛和重要的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們

發(fā)現(xiàn)大約有一百多種物理現(xiàn)象可以用來感測運(yùn)動體相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)，

并在此基礎(chǔ)上，研究了許多不同類型的陀螺。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，微機(jī)械電子系統(tǒng)（MicroElectromechanicalSystem，MEMS）技術(shù)在軍事與民用中得到越來越廣泛的應(yīng)用。硅微機(jī)械音叉陀螺是MEMS中一個典型的傳感器，硅微機(jī)械陀螺儀與硅微加速度計的研究較為深入，它采用哥氏加速度效應(yīng)來測量角速度。研究意義微機(jī)械制造工藝存在相對誤差較大的特點(diǎn)，且在制造過程中還會引入寄生參數(shù)（如封裝過程中引入寄生電容等），加工出的結(jié)構(gòu)與設(shè)計值往往存在一定誤差，導(dǎo)致陀螺性能的降低。通過建立完整的微機(jī)械結(jié)構(gòu)電學(xué)模型并與測控電路一起仿真，可以幫助優(yōu)化電路，提高陀螺性能。研究現(xiàn)狀MEMS器件在國外已經(jīng)有30多年的研究歷史，其中美國，歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家與地區(qū)都投巨資對慣性器件進(jìn)行研究開發(fā)，技術(shù)水平也領(lǐng)先于國內(nèi)。自上世紀(jì)80年代以來，較為著名的研究機(jī)構(gòu)與公司有美國的Draper實(shí)驗(yàn)室、AD公司、LITTON公司、HONEYWELL公司和JPL公司，有法國的SAGEM公司、德國的LITEF公司和俄羅斯的VECTOR公司，另外韓國首爾大學(xué)與三星公司也具有一定名氣。這些機(jī)構(gòu)對硅微機(jī)械陀螺儀與硅微加速度計等慣性器件進(jìn)行了較為深入的研究，諧振器在這些方面的應(yīng)用也較為成熟，已有產(chǎn)品形成，下面介紹國內(nèi)外的一些研究現(xiàn)狀。Draper實(shí)驗(yàn)室在諧振加速度計的研究方面開始較早，目前也處于世界領(lǐng)先地位。圖1.1為其研制的硅微加速度計的振梁結(jié)構(gòu)。圖1.1振梁式硅微加速度計德雷珀實(shí)驗(yàn)室于1993年研制成一種音叉線性振動陀螺儀，如圖1.2。此陀螺的兩塊硅平板在靜電力的作用下，做線振動，當(dāng)?shù)鬃鄬T性參考系以角速度旋轉(zhuǎn)時，兩平板在哥氏慣性力矩的作用下繞著支臂做角振動。圖1.2音叉線性振動陀螺儀研究方法及內(nèi)容研究方法對諧振器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，介紹諧振器的具體結(jié)構(gòu)，并以硅微機(jī)械陀螺儀和硅微機(jī)械加速度計為具體例子進(jìn)行建模，包括對其進(jìn)行動力學(xué)分析、電壓與靜電力轉(zhuǎn)換的建模、電容檢測的建模，并在Matlab/simulink和Cadence/pspice建立模型。然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測得諧振器品質(zhì)因數(shù)與諧振頻率，這樣可以對表頭進(jìn)行建模，然后對陀螺儀對象開環(huán)驅(qū)動實(shí)驗(yàn)與仿真，對加速度計進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動實(shí)驗(yàn)與仿真，對陀螺儀的動態(tài)電容進(jìn)行測量，并建立simulink模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。之后進(jìn)行靜態(tài)電容的測量實(shí)驗(yàn)還有動態(tài)電容實(shí)驗(yàn)，建立陀螺的Cadence/pspice的動態(tài)電容仿真模型。研究內(nèi)容理解硅微機(jī)械音叉陀螺工作原理與信號控制原理；理論分析陀螺微機(jī)械結(jié)構(gòu)接口電容及寄生電容對檢測電路的影響，并設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試與驗(yàn)證。以Cadence軟件為仿真平臺，建立完整的陀螺微機(jī)械結(jié)構(gòu)電學(xué)等效模型。并在測控電路中進(jìn)行完整的仿真。對比仿真與實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果，驗(yàn)證模型的正確性。研究中可能存在的問題及解決方案可能存在的問題由于輸入信號比較微弱，設(shè)計電路時電路元件數(shù)值大小需要精確控制，否則微小的變動會對輸出造成很大的影。因?yàn)榧纳娙莸挠绊?，對輸出需要明確區(qū)分出直流信號和交流信號，并考慮他們之間的影響，設(shè)計好電路。在模型的分析過程中可能不會很精確，由于設(shè)備不足需要忽略一些效應(yīng)，陀螺的位置增益的來源問題比較麻煩，個人的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ矔Y(jié)果有很大的影響。解決方案1）增益補(bǔ)償對于電路中無法建模的電學(xué)元件可以通過增益來替代，但是這樣有些電學(xué)元件的特性可能無法得到體現(xiàn)。2）熟悉原理對電學(xué)模型的原理有深入的了解對建模仿真和電路設(shè)計大有作用。工作計劃個人任務(wù)計劃時間：2014年10月——2015年6月月主要任務(wù)目標(biāo)1熟悉課題內(nèi)容，了解Cadence的電路設(shè)計方式和matlab基本仿真，查閱資料，了解課題相關(guān)背景知識，為開題做準(zhǔn)備，完成開題報告。2進(jìn)一步查閱資料，多閱讀國外文獻(xiàn)，理解硅微機(jī)械音叉陀螺工作原理與信號控制原理，并掌握Cadence電路軟件的基本使用。3-41）學(xué)習(xí)Cadence軟件allegro和PCB制版，熟練掌握Cadence軟件的使用和電路的設(shè)計，繪制PCB板，進(jìn)行簡單的電路連接實(shí)驗(yàn)。2）理論分析陀螺微機(jī)械結(jié)構(gòu)接口電容及寄生電容對檢測電路的影響，并設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試與驗(yàn)證。5在導(dǎo)師和師兄的幫助下完成Cadence電學(xué)仿真模型建立之前的一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，快速熟悉實(shí)驗(yàn)電路和基本的儀器設(shè)備功能。6-7以Cadence軟件為仿真平臺，建立完整的陀螺微機(jī)械結(jié)構(gòu)電學(xué)等效模型。并在測控電路中進(jìn)行完整的仿真。對比仿真與實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果，驗(yàn)證模型的正確性。8針對結(jié)果進(jìn)行電學(xué)模型的改進(jìn)，分析問題并進(jìn)行總結(jié)。準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計的答辯工作。參考文獻(xiàn)[1]AbhinavMitra.SystemlevelstudyofresonantMEMSstructure[D].WayneStateUniversity,2007.[2]莊瑞芬.硅微諧振式加速度計結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)，2009.[3]劉洋.差動式電容微機(jī)械陀螺儀工藝制備及接口電路設(shè)計[D].廈門大學(xué),2011.[4]SeyedHosseinMiriLavasani.Designandcharacterizationofsiliconmic