Список выполненных НИОКР

Конечно-элементное исследование колебаний микромеханического гироскопа (ММГ) роторного типа (2003 г.)

Ключевые слова Микроэлектромеханические системы, ММГ, гироскоп, собственные частоты и формы колебаний
Программное обеспечение ANSYS
Период проведения 2003 г.

В работе исследуются собственные колебания микромеханического гироскопа (ММГ) роторного типа, используемого в современных инерциальных навигационных системах в качестве измерителя угловой скорости.

Чувствительный элемент (осциллятор) роторного ММГ представлен на рис. 1, где белым цветом показана площадка крепления осциллятора к стеклянному основанию. В качестве конструкционного материала используется монокристаллический кремний, относящийся к кристаллам с кубической симметрией. Упругие свойства таких кристаллов в системе координат, определяемой кристаллографическими осями, описываются тремя независимыми модулями упругости. Чувствительный элемент ММГ изготавливается с помощью групповых методов на основе кремниевой технологии. На основе геометрической модели (рис. 1) построена пространственная КЭ модель осциллятора, содержащая 3328 двадцатиузловых элементов (88416 степеней свободы).

Для определения рабочих режимов ММГ выполнен расчет собственных частот и форм колебаний чувствительного элемента. На рис. 2, 3 показаны две низшие формы свободных колебаний, соответствующие рабочему режиму датчика.

Исследовано влияние напряженно-деформированного состояния чувствительного элемента, возникающего при различных температурных режимах ММГ, на спектр собственных частот. Построена КЭ модель осциллятора, учитывающая технологические ("невертикальность" стенок осциллятора, возникающая при изготовлении) и температурные факторы. Учет температурных факторов включает в себя моделирование стеклянного основания, электротермокомпрессионной сварки кремния со стеклом при температуре Т = 450°С, а также температуру рабочего режима. На рис. 4 приведено поле относительного модуля вектора перемещений Usum/R (R – радиус кремниевой пластины, R ~ 103 мкм), возникающее после сварки кремния со стеклом и остывания до температуры Т = 20°С.

Рис.1 Собственные формы микромеханического гироскопа (ММГ) роторного типа. ANSYSРис.2 Собственные формы микромеханического гироскопа (ММГ) роторного типа. ANSYS
Рис.3 Собственные формы микромеханического гироскопа (ММГ) роторного типа. ANSYSРис.4 Собственные формы микромеханического гироскопа (ММГ) роторного типа. ANSYS

Доступные материалы (КЭ исследование выполнено в 2003 году):

Описание
Видео (avi, 5.16МБ)
Презентация (MSPowerPoint, 846КБ - без видео)
Презентация (zip-архив, 1.96МБ - полная версия презентации)