تحلیل حساسیت دیفرانسیلی میکروژیروسکوپ ارتعاشی سه درجه آزادی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه تبریز

2 دانشجوی کارشناسی ارشد / دانشکدة مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه تبریز

3 عضو هیات علمی / دانشکدة مهندسی فناوری‌های نوین، دانشگاه تبریز

چکیده

در این مقاله رفتار میکروژیروسکوپ ارتعاشی سه درجه آزادی، که دو درجه آزادی در راستای حسگر و یک درجه آزادی در راستای تحریک دارد، پس از بررسی مدل کامل سیستم شامل بخش­های مکانیکی و الکتریکی، با استفاده از روش تحلیل حساسیت گرافیکی و دیفرانسیلی مطالعه و تحلیل شده است. برای این منظور نخست معادلات حاکم بر عملکرد میکروژیروسکوپ استخراج شده است. در شبیه‌سازی­ها، بازة فرکانسی عملکرد حسگر بررسی و تغییرات ولتاژ خروجی حسگر نسبت به تغییر پارامتر­های بخش­های مکانیکی و الکتریکی سیستم تحلیل حساسیت شده است. طبق دسته‌بندی نتایج تحلیل حساسیت، پارامتر­های حساس شامل جرم ثانویه ، ضریب گذردهی، طول و عرض ساختار، و مؤلفه­های ولتاژ مستقیم و متناوب ولتاژ تحریک اعمالی می‌باشد. سیستم دارای حساسیت نسبتاً کمتر نسبت به پارامترهای فاصلة اولیه صفحات خازن و ضریب سختی بوده و نسبت به تغییرات جرم اولیه ، جرم ساختار دکوپله‌کنندة  و مدول یانگ غیرحساس است. نمودار تغییرات ولتاژ خروجی نسبت به پارامترهای جرم ، ضریب سختی و فاصلة اولیه بین الکترودهای خازنی کاملاً غیرخطی است و در برخی نواحی شیب بسیار تندی دارد که می‌توان با طراحی این متغیر­ها در ناحیة مناسب، تغییرات خروجی را به‌نحو مطلوبی کنترل کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Differential sensitivity analysis of a 3-DOF vibratory rate micro gyroscope

نویسندگان [English]

  • Manizhe Zakeri 1
  • Ali Alizadeh 2
  • Vahid Azimirad 3
چکیده [English]

In this paper, a capacitive 3-DOF vibratory rate micro gyroscope with 2-DOF oscillator in the sense mode and 1-DOF in the drive mode was studied. A complete model of the micro gyroscope, including mechanical and electrical parts was utilized. Based on the graphical and differential sensitivity analyses methods, variations of the system parameters were analyzed. In the first step, governing equations of the micro gyroscope were derived. In order to simulate the sensor operation, working frequency has been determined and then, output voltage of the sensor versus changes in mechanical and electrical elements is studied. According to the sensitivity analysis results, secondary mass (m2), permittivity, length and width of the electrostatic capacitors, also DC and AC components of the actuation voltage have been clustered as the most sensitive parameters. Initial gap of the electrostatic capacitors and stiffness are fairly sensitive. Primary mass (m1), mass of the decoupling frame (mf), and young module are considered as non-sensitive parameters. Variations of the output voltage based on secondary mass (m2), stiffness and initial gap are completely non-linear and in some areas have severe slopes. Wise choices in selecting appropriate values for these parameters will lead to the better performance and more output voltage of the sensor.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Modeling
  • Sensitivity analysis
  • sensor
  • micro gyroscope

[1] D. Choukroun, Y. Oshman, J. Thienel, M. Idan, Advances in Estimation, Navigation, and  Spacecraft Control, Springer, 2015.

[2] R. Antonello, R. Oboe, MEMS Gyroscopes for Consumers and Industrial Applications, Microsensors, INTECH, pp. 253-280, 2011.

[3] M. Wen, Z. Luo, S. Liu, A characterization of the performance of MEMS vibratory gyroscope in different fields, in 15th International Conference on Electronic Packaging Technology, Chengdu, China, 12-15 Aug 2014.

[4] M. Ghommem, A. H. Nayfeh, S. Choura, F. Najar, E. M. Abdel-Rahman, Modeling and performance study of a beam microgyroscope, Journal of Sound and Vibration, Vol. 329, No. 23, pp. 4970-4979, 2010.

[5] R. Wanga, P. Chenga, F. Xiea, D. Youngb, Z. Hao, A multiple-beam tuning-fork gyroscope with high quality factors, Sensors and Actuators,  Vol. 166, No. 1, pp. 22-33, 2010.

[6] S. Pourkamali, Z. Hao, F. Ayazi, VHF single crystal silicon elliptic bulk-mode capacitive disk resonators-part I: design and modeling, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 6, pp. 1043-1053, 2004.

[7] Z. Hao, S. Pourkamali, F. Ayazi, VHF single crystal silicon capacitive elliptic bulk-mode disk resonators-part II: implementation and characterization, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 6, pp. 1054-1062, 2004.

[8] Y. Tao, X. Wu, D. Xiao, Y. Wua, H. Cui, X. Xi, B. Zhu, Design, analysis and experiment of a novel ring vibratory gyroscope, Sensors and Actuators, Vol. 168, No. 2, pp. 286-29, 2010.

[9] A. Jain, R. Gopal, 2-DOF vibratory gyroscope fabricated by SU-8 based UV-LIGA process, Microsystem technologies, Vol. 20, No. 7, pp. 1291-1297, 2010.

[10] C. Patel, P. McCluskey, Modeling and simulation of the MEMS vibratory gyroscope, 13th IEEE ITHERM Conference, San Diego, USA, 30 May-01 Jun 2012.

[11] C. Acar, A. Shkel, Nonresonant micromachined gyroscopes with structural mode-decoupling, IEEE SENSORS JOURNAL, Vol. 3, No. 4, pp. 497-506, 2003.

[12] W. Wang, X. Lv, F. Sun, Design of micromachined vibratory gyroscope with two degree-of-freedom drive-mode and sense-mode, IEEE SENSORS JOURNAL, Vol. 12, No. 7, pp. 2460-2464, 2012.

[13] C. Acar, A. Shkel, MEMS vibratory gyroscope: structural approaches to improve robustness, Springer, 2008.

[14] C. Acar, A. Shkel, Inherently robust micromachined gyroscopes with 2-DOF sense-Mode oscillator, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 15, No. 2, pp. 380-387, 2006.