硅微三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

蔡 麒，趙 勇，劉 立，曹慧亮，石云波，趙 銳

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，太原030051;2.中國兵器工業(yè)計算機應(yīng)用技術(shù)研究所，北京100089;3.錦州七七七微電子有限責(zé)任公司，錦州121001)

0 引言

將傳感器集成在傳統(tǒng)火炮彈藥引信上可實現(xiàn)彈藥的智能化,根據(jù)傳感器敏感的物理量不同,智能彈藥能達到不同的軍事目的。三軸(X、Y、Z)陀螺可以為彈藥提供三維姿態(tài),這是慣性制導(dǎo)的必要條件[1-4]。因此,開發(fā)可用于智能彈藥的陀螺是智能彈藥實現(xiàn)慣性制導(dǎo)的重中之重。

當(dāng)前,用于同時測量三個軸向角速率信息的陀螺主要有采用三個正交放置的單軸陀螺集成的陀螺和單片單結(jié)構(gòu)的三軸陀螺。但是,具有正交放置的集成三軸陀螺[5-6]具有集成度低、裝配誤差大和系統(tǒng)體積大的缺點；單片單結(jié)構(gòu)的三軸陀螺[7-12]結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工困難,模態(tài)間耦合嚴(yán)重。因此,這兩種類型的陀螺均不適用于彈藥的三維姿態(tài)檢測。

本文提出了一種新型硅微三軸輪環(huán)陀螺,它采用單芯片多結(jié)構(gòu)陀螺陣列方法將兩個陀螺結(jié)構(gòu)集成在一個芯片上。該陀螺結(jié)構(gòu)簡單,易于加工,解耦簡單,體積小且易于防護。它可以有效地為彈藥提供三維姿態(tài),實現(xiàn)彈藥的智能化。本文建立了該陀螺結(jié)構(gòu)的有限元模型,并進行了振動特性分析和瞬態(tài)沖擊響應(yīng)分析,證明了該陀螺具有良好的振動特性和抗沖擊性。

1 硅微三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到彈丸的大小和彈丸在發(fā)射過程中的高過載環(huán)境,本文設(shè)計的陀螺結(jié)構(gòu)應(yīng)具有體積小、抗沖擊性能好的特點。本文提出的陀螺是通過單片輪環(huán)結(jié)構(gòu)陀螺陣列實現(xiàn)的,這兩種結(jié)構(gòu)通過嵌套集成在一個芯片上,以進一步減小結(jié)構(gòu)體積。如圖1所示,輪式結(jié)構(gòu)完全嵌套在環(huán)形結(jié)構(gòu)的中間,這兩個結(jié)構(gòu)獨立工作且不會相互影響。在參考其他文獻和仿真的基礎(chǔ)上,結(jié)構(gòu)的厚度初步確定為100μm,環(huán)的半徑為3000μm,X軸檢測框架的半徑為 2500μm,Y軸檢測框架的半徑為1200μm。

輪式結(jié)構(gòu)從內(nèi)向外由Y軸檢測框架(內(nèi)圓柱框架,進行XOY平面外運動,繞OX軸扭曲,用于檢測Y軸輸入角速度)、Y-驅(qū)動撓性接頭(用于支撐內(nèi)部框架)、輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動框架(中圓柱殼框架,通過四個支撐梁與四個完全對稱的錨點相連,以支撐整個結(jié)構(gòu))、X-驅(qū)動撓性接頭(用于支撐外部框架)和X軸檢測框架(外圓柱殼框架,進行XOY平面外運動,繞OY軸扭曲,用于檢測X軸輸入角速度)組成。采用的環(huán)形固體波動陀螺結(jié)構(gòu)由八個對稱錨點及S型折疊梁支撐中間的環(huán)形諧振結(jié)構(gòu),對稱的結(jié)構(gòu)有利于應(yīng)力釋放,中間的環(huán)形結(jié)構(gòu)采用四波腹工作原理,具有良好的抗沖擊性能。

2 振動特性分析

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析可以用來確定陀螺結(jié)構(gòu)的振動特性,如固有頻率、振型、振動平穩(wěn)性等。首先,利用SolidWorks軟件建立陀螺結(jié)構(gòu)的整體模型,利用ANSYS軟件建立有限元模型。然后,再進行模態(tài)分析,提取工作模態(tài)的仿真結(jié)果。圖2為陀螺驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的模態(tài)分析結(jié)果,前十階模態(tài)的振動特性及固有頻率如表1所示。

圖2 三軸陀螺驅(qū)動和檢測模態(tài)圖Fig.2 Drive and detection modal diagram of the triaxial gyroscope

表1 三軸陀螺前十階模態(tài)固有頻率Table 1 The first ten modal natural frequencies of the triaxial gyroscope

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,工作模態(tài)和干擾模態(tài)之間的頻差需要盡可能大,以減少模態(tài)之間的干擾。當(dāng)驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的固有頻率完全相同時,陀螺的靈敏度最高,但是會導(dǎo)致帶寬降低。因此,驅(qū)動頻率和檢測頻率也需要一定的頻率差[13]。由圖2和表1可以看出,陀螺的工作模態(tài)比較集中,它的諧振頻率與干擾模式的諧振頻率相距較遠,避免了干擾模態(tài)對陀螺工作的影響。同時,陀螺的Z軸驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)之間的頻率差很小(1Hz),而輪式結(jié)構(gòu)陀螺X軸和Y軸的驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)之間的頻率差分別為120Hz和121Hz,極大地提高了陀螺的機械靈敏度。可以看出,陀螺結(jié)構(gòu)不僅可以遠離環(huán)境振動的干擾,而且可以在較高靈敏度的基礎(chǔ)上保證帶寬,從而達到較高的抗高過載性能。

2.2 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是一種特殊的時域分析方法,用于分析持續(xù)的周期載荷在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生的持續(xù)周期響應(yīng),并確定結(jié)構(gòu)在承受隨時間按簡諧規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。陀螺諧振器結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析的主要目的是計算結(jié)構(gòu)在靜電力作用下的位移響應(yīng),并獲得陀螺諧振器結(jié)構(gòu)的幅頻響應(yīng)曲線。經(jīng)過掃頻仿真分析之后,觀察陀螺諧振子在何頻率點出現(xiàn)諧振峰值,并獲得該峰值的大小。

在模態(tài)仿真的基礎(chǔ)上,針對各個工作模態(tài),對結(jié)構(gòu)進行諧響應(yīng)分析:在結(jié)構(gòu)的驅(qū)動位置上施加正弦力,觀察結(jié)構(gòu)檢測模態(tài)的位移,可得到輪式結(jié)構(gòu)的X軸檢測模態(tài)(第四階模態(tài),10166.0Hz)、Y軸檢測模態(tài)(第五階模態(tài),10205.0Hz)和環(huán)形Z軸檢測模態(tài)(第七階模態(tài),10321.0Hz)的位移,如圖3、圖4和圖5所示。仿真結(jié)果顯示,在各模態(tài)的諧振頻率范圍內(nèi)均只有唯一值,且X軸、Y軸檢測位移較大(說明結(jié)構(gòu)具有較好的機械靈敏度),Z軸檢測位移較小(反映出Z軸靈敏度較低、量程較大)。

圖3 X軸檢測方向幅頻響應(yīng)曲線Fig.3 Amplitude-frequency response curve of X-axis detection direction

圖4 Y軸檢測方向幅頻響應(yīng)曲線Fig.4 Amplitude-frequency response curve of Y-axis detection direction

圖5 Z軸檢測方向幅頻響應(yīng)曲線Fig.5 Amplitude-frequency response curve of Z-axis detection direction

3 抗沖擊特性分析

在特定領(lǐng)域應(yīng)用時,陀螺需要經(jīng)受一定程度的瞬態(tài)加速度沖擊,這類沖擊載荷作用時間短、峰值高、變化快,使得陀螺產(chǎn)生很大的沖擊應(yīng)力,容易損壞諧振結(jié)構(gòu)。本文采用半正弦脈沖模擬陀螺實際過載情形,采用ANSYS的瞬態(tài)分析模塊進行仿真。

大多數(shù)常規(guī)火炮發(fā)射的彈藥在使用過程中要經(jīng)歷膛內(nèi)發(fā)射沖擊階段,沖擊的方向主要在Z軸方向,因此設(shè)計的陀螺在Z軸方向需要有良好的抗高過載能力。在陀螺諧振結(jié)構(gòu)的Z軸方向施加5000g@5ms的半正弦周期沖擊載荷,諧振子結(jié)構(gòu)的位移云圖如圖6(a)所示,諧振子結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖6(b)所示。由圖6(a)可知,在5000g@5ms沖擊條件下的最大位移出現(xiàn)在環(huán)形結(jié)構(gòu)上,其最大位移為 14.1μm。而環(huán)形結(jié)構(gòu)與基底的距離為50μm,因此在5000g的沖擊下產(chǎn)生的位移不會導(dǎo)致敏感結(jié)構(gòu)與基底粘連。由圖6(b)可知,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為190.38MPa,遠低于硅結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力(790MPa),且最大應(yīng)力點分布在輪式結(jié)構(gòu)的支撐梁靠近錨點部分,說明該結(jié)構(gòu)具有較好的抗沖擊特性。

圖6 Z軸承受5000g條件下的結(jié)構(gòu)位移云圖及應(yīng)力云圖Fig.6 Displacement and stress nephogram of Z-axis under the condition of 5000g

4 結(jié)論

為了開發(fā)可以用于智能彈藥領(lǐng)域的陀螺,本文提出了一種新型的基于輪-環(huán)形式的單片三軸MEMS陀螺結(jié)構(gòu),在ANSYS有限元分析軟件中建立了該三軸陀螺結(jié)構(gòu)的有限元模型,并分別進行了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析以及瞬態(tài)沖擊響應(yīng)分析。仿真分析結(jié)果表明,該三軸陀螺工作模態(tài)與干擾模態(tài)的頻差較大,驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的頻差較小,既可以遠離環(huán)境振動的干擾,又能保持較高的靈敏度。該陀螺結(jié)構(gòu)在5000g@5ms瞬態(tài)沖擊作用下的最大應(yīng)力為190.38MPa,遠小于硅的極限許用應(yīng)力,證明該陀螺結(jié)構(gòu)在抗沖擊方面有較好的性能。