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微机械陀螺冲击特性及可靠性研究

何春华;赵前程;杨振川;张大成;闫桂珍

【摘要】为了深入掌握微机械陀螺的冲击响应特性,本文进行了详细的理论推导和

MATLAB仿真分析,并进行了测试验证.冲击试验结果表明,理论分析和试验结果基

本一致,考虑最坏情况可知,当脉宽对应的冲击频率与陀螺固有频率越接近,并且陀螺

品质因子和冲击加速度幅值越大时,则冲击带来的影响就越大,梁越容易发生断裂失

效.因此要使MEMS陀螺具有较强的抗冲击能力,必须综合优化设计陀螺的真空度

和固有频率.

【期刊名称】《传感技术学报》

【年(卷),期】2019(032)005

【总页数】6页(P643-648)

【关键词】微机械陀螺;冲击可靠性;响应模型;冲击特性

【作者】何春华;赵前程;杨振川;张大成;闫桂珍

【作者单位】北京大学微电子学研究院微米/纳米加工技术国家级重点实验室,北京

100871;美的集团,广东佛山528311;北京大学微电子学研究院微米/纳米加工技术

国家级重点实验室,北京100871;北京大学微电子学研究院微米/纳米加工技术国家

级重点实验室,北京100871;北京大学微电子学研究院微米/纳米加工技术国家级重

点实验室,北京100871;北京大学微电子学研究院微米/纳米加工技术国家级重点实

验室,北京100871

【正文语种】中文

【中图分类】TP212

冲击是MEMS可靠性最重要的影响因素之一,与机械振动应力不同,它的加速度幅

值非常高、冲击脉宽较小、冲击波形类似于半正弦波或方波脉冲。实际应用环境中,

器件可能承受很大的机械冲击力,例如器件从1.5m的高处跌落到坚固的地面时受

到的冲击加速度约为500gn～3000gn,油气勘探传感器受到的冲击加速度可达

20000gn,炮弹发射过程中器件所受的冲击加速度高达100000gn[1]。MEMS

器件受到较高的机械冲击时,容易发生吸合和粘附失效[2],由于陀螺设有阻挡结构,因

此基本可避免吸合和粘附问题。若冲击加速度很大,则陀螺结构在猛烈碰撞时容易

产生结构分层或硅渣等微粒污染;当冲击应力大于硅材料的屈服强度时,硅结构(尤其

是梳齿或梁)容易发生断裂失效。芬兰阿尔托大学电气工程学院曾对三轴陀螺仪进

行冲击试验[3-5],冲击后机械结构的失效模式主要包括梳齿断裂、梁和结构断裂、

微粒污染等。此外,在15000gn高冲击应力下,硅结构及硼硅玻璃结构发生严重形

变及裂纹扩展,可见冲击对陀螺影响非常大。

为了更好地分析陀螺的抗冲击能力、以及指导支撑保护结构设计,需对陀螺冲击响

应特性进行建模分析。美国麻省理工大学和北京理工大学曾指出固有频率、冲击脉

宽、加速度幅值等对MEMS器件的冲击可靠性影响较大,在半正弦加速度冲击下,

机械响应特性根据谐振周期T的大小可划分为弹性波响应、谐振响应和准静态响

应[6-7],并指出可根据最大的响应位移和应力进行失效判断,但文献中并未给出详细

的建模分析和试验验证。纽约州立大学宾汉姆顿大学曾建立了PCB和MEMS结构

的二维冲击响应模型[8],但并未给出推导分析和解析解,因此无法根据理论解来分析

冲击响应的主要影响因素。尽管国内对悬臂梁做了大量的冲击响应特性建模和研究

[9-11],但国内外针对陀螺结构的冲击响应特性建模和试验分析相对较少。综上所

述,本文将开展详细的陀螺冲击特性建模研究,从原理上分析影响陀螺结构冲击可靠

性的关键因素,并通过实验验证理论分析的正确性。

1微机械陀螺冲击响应特性分析

假设硅陀螺结构被直接固定在冲击台上,如图1所示,不考虑安装结构、PCB或粘接

胶的影响时,则陀螺冲击动力学方程[12-13]为:

(1)

图1单自由度冲击模型

其中,静电驱动力Fd=F0sin(ω1t),mi、ci和ki分别为硅结构的质量、阻尼力系数

和刚度,定义为陀螺结构的固有角频率,和分别为阻尼比和品质因数,ω1为电激励信

号频率,当驱动闭环时ω1=ωi。x和y分别为陀螺结构和冲击台的绝对位移,令冲击

台的位移y为:

y=y0sin(ω0t)

(2)

式中:ω0为冲击台的激励频率,y0为位移幅值。则冲击加速度为:

(3)

式中:a0为冲击加速度幅值。考虑冲击加速度为半正弦脉冲,如图2所示,则有:

(4)

式中:t0为冲击信号周期的一半,即t0=π/ω0。借用单