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液浮转子式微陀螺的热学特性分析

作　者: 汪东博
导　师: 刘晓为
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 集成电路工程
关键词: 液浮转子式微陀螺温度有限元转速
分类号: TN965
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

MEMS微陀螺作为集合MEMS技术与陀螺技术的微传感器，是惯性传感器领域研究的热点。陀螺的热学特性是影响器件稳定性与灵敏度的关键。本课题针对一种新型MEMS液浮转子式微陀螺，采用仿真与实验相结合的方法对陀螺的热学特性进行了研究与分析。本论文首先对液浮转子式微陀螺的结构与工作原理进行阐述，进而建立其转子系统与定子系统的热源的数学以及有限元模型。其次利用COMSOLMultiphysics软件对陀螺的温度场分布进行建模与仿真，对比陀螺采用三种不同粘滞系数的浮液在低速、中速、高速情况时的温升情况，并分析传热路径与温度梯度。第三，利用红外热像仪对陀螺工作状态时的温度场分布进行了测试，得到了稳定转速时的温升情况，与仿真温度误差在1℃以内，验证了仿真的合理性。绘制出定子、转子区域的最高温与最低温曲线并进行分析，陀螺三种浮液的温度梯度为0.3℃~0.5℃。最后，通过COMSOL模拟了浮液温度梯度引发的Marangoni热对流，并分析热对流对浮液速度场的影响，当温差为0.05K时，浮液温度不再线性变化；而温度差为2K时，温度场与速度场耦合。分析并计算出浮液存在温度梯度对转子产生的干扰力矩以及对陀螺误差模型一次项系数D1的影响。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-17
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-15
    1.2.1 悬浮转子式微陀螺的国内外研究现状  9-13
    1.2.2 温度场分析方法的国内外研究现状  13-15
  1.3 研究目的和意义  15-16
  1.4 本课题研究内容  16-17
第2章液浮转子式微陀螺热学的理论分析与计算  17-26
  2.1 引言  17
  2.2 液浮转子式微陀螺的结构及工作原理  17-19
  2.3 液浮转子式微陀螺热源的分析  19-21
    2.3.1 液浮转子式微陀螺转子系统热源的分析  19-20
    2.3.2 液浮转子式微陀螺定子系统热源的分析  20-21
  2.4 液浮转子式微陀螺的温度场有限元分析原理  21-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章液浮转子式微陀螺温度场有限元建模与仿真  26-39
  3.1 引言  26
  3.2 有限元软件建模及分析方法  26-27
  3.3 2D 稳态热传导模型  27-31
    3.3.1 求解域方程组  27-28
    3.3.2 有限元模型的简化及建立  28-29
    3.3.3 材料属性  29-30
    3.3.4 边界条件的分析和加载  30-31
  3.4 有限元仿真结果与分析  31-38
    3.4.1 采用三种浮液的陀螺在不同转速时的整体温度场仿真与分析  32-34
    3.4.2 采用三种浮液的陀螺不同转速时的热传路径与温度梯度分析  34-36
    3.4.3 陀螺电极数目增加、通电电流不同时的整体温度场仿真分析  36-38
  3.5 模型误差分析  38
  3.6 本章小结  38-39
第4章液浮转子式微陀螺热学特性测试与分析  39-50
  4.1 引言  39
  4.2 液浮转子式微陀螺温度场分析仪器介绍  39-42
    4.2.1 红外热像仪的结构以及工作原理  39-41
    4.2.2 红外热像仪测温特点  41-42
    4.2.3 FLIR-A315 红外热像仪介绍  42
  4.3 液浮转子式微陀螺的工作温度测试与分析  42-49
  4.4 本章小结  49-50
第5章温度对液浮转子式微陀螺转子稳定性的影响  50-57
  5.1 引言  50
  5.2 陀螺浮液出现温度梯度引发的 Marangoni 对流  50-54
    5.2.1 求解域方程  50-51
    5.2.2 有限元模型简化及建立  51-52
    5.2.3 边界条件与材料参数的确定  52
    5.2.4 有限元仿真结果与分析  52-54
  5.3 浮液温度梯度产生干扰力矩的分析  54-56
  5.4 本章小结  56-57
结论  57-59
参考文献  59-62
攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果  62-64
致谢  64-65
个人简历  65

液浮转子式微陀螺的热学特性分析

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