بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله نتایج تحلیل و شبیه سازي در مورد مدهاي تحریک وآشکار سازي و جفت شدگی در یک ژیروسکوپ ارتعاشی شانه ايMEMS با هشت تیرك حسگر داخلی مجزا ارائه شده است. شبیه سازي و تحلیل، براي سه وضعیت متفاوت صورت گرفته است. براي شبیه سازي از نرم افزار Coventor Ware، و براي حل تحلیلی معادلات حرکت، از شبیه ساز Simulink نرم افزارMatlab استفاده شده است. نتایج بدست آمده بیانگر آن است که جابجایی بین مد هاي تحریک y و آشکار سازي z، براي وضعیت Ω=0 وبه اندازه ایی از مرتبه 10-4 کاهش یافته است و به تبع آن جفت شدگی کاهش یافته است.
١- مقدمه
ظهور فناوري MEMS ،امکان مدلسازي و ساخت ژیروسکوپهاي خیلی کوچک با هدف اندازهگیري سرعت زاویهاي را فراهم کرده است و یکی از موضوع هاي گسترده تحقیقاتی در طی سالهاي اخیر بوده است .ژیروسکوپها به طورکلی براي اندازه گیري سرعت زاویه اي در بسیاري از کاربردهاي فضایی مانندپایداري و کنترل ناوبري در فضاپیما و هواپیما، خودرو، کاربردهاي الکترونیک و روباتیک و ... استفاده میشوند.
علاوه بر این، مزیت هایی همچون مصرف انرژي پایین، ساخت ساده و کم هزینه ، ژیروسکوپ هاي میکرو الکترومکانیکی را به یک زمینه جذاب براي تحقیق و توسعه تبدیل کرده است. مجموعه دستگاه حول محور عمود بر صفحه ارتعاشی دستگاه حساس می باشند. عملکرد ژیروسکوپ بر اساس انتقال انرژي از مد تحریک به مد آشکارسازي آن به دلیل شتاب کریولیس حاصله توصیف می گردد .وقتی که ژیروسکوپ در معرض یک سرعت زاویه اي قرار می گیرد، پاسخ مد آشکارسازي اطلاعات کافی ازسرعت زاویه اي را فراهم می کند.
همان طور که اشاره شد، ژیروسکوپ هاي میکروالکترومکانیکی MEMS داراي دو مد ارتعاشی هستند:- 1 مد تحریک -2 مد آشکارسازي ،که بر هم عمود می باشند. این دو مد باید مطابقت خیلی نزدیک با یکدیگر داشته تا سیستم حساسیت مطلوب را دارا باشد
.در این مقاله به بررسی جفت شدگی مکانیکی در یک ژیروسکوپ میکرو الکترو مکانیکی با هشت پایه داخلی مجزاپرداخته شده است که با استفاده از تحلیلگر Mem Mech نرم افزار CoventorWare مشخصات مربوط به ژیروسکوپ بدست آمده و با استفاده از Simulink نرم افزار Matlab به تحلیل خروجی هاي yوz و جفت شدگی پرداخته خواهد شد .
-2 اصول و معادلات حاکم بر ژیروسکوپ ارتعاشی
جرم ژیروسکوپ ارتعاشی توسط چهار تیرك حمایت شده است که با استفاده از الکترود هاي شانه اي تحریک می شوند .[5] دو الکترود در زیر جرم وجود دارد، یکی براي تشخیص ظرفیت خازن و دیگري براي تنظیم فرکانس است . هنگامی که ولتاژهايACوDC به الکترودهاي شا نه اي اعمال می شود جرم در جهت y نوسان می کند. دوران خارجی ناشی از دور تادور محور y - سرعت زاویه اي - Ω یک دوران در جهت z را با توجه به نیروي کوریولیس تولید می کند ، این دوران در نتیجه یک تغییر در ظرفیت خازنی بین جرم والکترود آشکارساز به وجود آمده است. چهار تیرك جرمی که در جهت y تحریک می شود و در جهت z آشکار سازي می شود را حمایت می کند .
در این نوع ساختار اگر تیرك ها در نتیجه خطا در ساخت سیلیکون میکرو ماشینی کاملأ متقارن نباشند جفت شدگی بین دو مد می تواند آسان باشد. ژیروسکوپ ارتعاشی میکروالکترو مکانیکیMEMS از جرم وتیركهاي نوسانی تشکیل شده است و جرم به راحتی در دو جهت متعامد نوسان می کند.در شکل - 1 - طرح ساد ه ایی از جرم وفنر نمایش داده شده است. وقتی که جرم در جهت y توسط یک نیروي خارجی تحریک می شودکه آن در معرض یک مقدار ثابت سرعت زاویه ایی - - Ω قرار خواهد گرفت و یک نیرروي کوریولیس - - Fc=2mΩ در جهت z القا خواهد شد ودر این حالت معادلات حرکت به صورت زیر خواهند بود:
شکل - - 1 ساختار جرم وفنر در یک ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS
در آنm جرم است و ضریب میرایی و ثابت هاي فنر به ترتیب براي جهت هاي y وz می باشند . هنگامی که جرم تحریک می شود در مد تحریک نوسان ایجاد خواهد شد به طوري که فرکانس تشدید رخ می دهد . اگر دامنه تحریک ثابت باشد و دامنه حرکت نوسانی متناسب با سرعت زاویهاي - Ω - باشد، بنابراین حساسیت ژیروسکوپ - - بالا رفته هنگامی که اختلاف فرکانس بین دو مد کوچک می شود .
-3 جفت شدگی
جرم وتیرك هاي ژیروسکوپ ارتعاشی میکرو الکتروالکترو مکانیکی MEMS معمولأبه علت خطا در ساخت به طور کامل متقارن نیستند .در نتیجه انرژي نوسانی تحریک در جهت z نفوذ پیدا خواهد کرد ،بنابراین جفتشدگی مکانیکی بین نوسانات در دو جهت خواهد بود .این جفتشدگی مفروض به دامنه وسرعت نوسان تحریک بستگی دارد.بنابراین معادلات حرکت به صورت زیر خواهند بود که در آن به ترتیب ضرایب جفت شدگی براي دامنه و سرعت می باشند.
