專利名稱：微型慣性傳感器件的芯核建模方法及芯核庫(kù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微型慣性傳感器件的芯核建模方法及其芯核庫(kù)，屬于微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。是針對(duì)慣性微機(jī)電系統(tǒng)以及典型靜電微執(zhí)行器和靜電檢測(cè)微傳感器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
基于MEMS技術(shù)的慣性傳感器件，如微加速度計(jì)、微陀螺以及微慣性測(cè)量組合等是MEMS器件研究的重要類型?；贛EMS技術(shù)的微慣性傳感器件是融電路與微機(jī)械結(jié)構(gòu)為一體的系統(tǒng)，對(duì)其整體行為(系統(tǒng)級(jí)行為)的建模與仿真分析是其計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)?；诳芍赜眯竞?Intellectual Property，IP)的建模方法是實(shí)現(xiàn)MEMS器件系統(tǒng)級(jí)建模的有效方法，該方法把MEMS分割為多個(gè)功能結(jié)構(gòu)部件，選用與功能結(jié)構(gòu)部件對(duì)應(yīng)的芯核模型并通過設(shè)定芯核參數(shù)和聯(lián)結(jié)芯核對(duì)應(yīng)端口形成的網(wǎng)絡(luò)作為整個(gè)微系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)模型。這種方法需要功能結(jié)構(gòu)部件的參數(shù)化可重用芯核模型的支持。
由此，建立微慣性傳感器件的可重用芯核模型成為國(guó)際針對(duì)MEMS慣性器件建模的重要研究?jī)?nèi)容。美國(guó)Carnegie Mellon大學(xué)的NODAS采用混合信號(hào)硬件描述語(yǔ)言MAST建立了作平面運(yùn)動(dòng)的典型MEMS功能結(jié)構(gòu)部件(如梁、質(zhì)量塊等)的可重用芯核，這些芯核模型局限于建立作平面運(yùn)動(dòng)慣性MEMS器件的系統(tǒng)級(jí)模型。類似地，美國(guó)UC Berkeley在MATLAB平臺(tái)上建立了支持慣性MEMS器件的系統(tǒng)級(jí)建模的可重用芯核，但由于其采用MATLAB語(yǔ)言編程，使模型不便于與電路模型集成以實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)仿真。
目前，關(guān)于微慣性傳感器件的可重用芯核的建模在國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為避免現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提出了一種微型慣性傳感器件的芯核建模方法及其芯核庫(kù)，研究建立MEMS慣性傳感器件的功能結(jié)構(gòu)部件的可重用芯核模型的一般方法，基于此，在三維空間內(nèi)針對(duì)典型MEMS慣性傳感器件建立可重用芯核模型庫(kù)，為MEMS慣性傳感器件的系統(tǒng)級(jí)建模方法的工具化奠定基礎(chǔ)。
MEMS慣性傳感器件作為基于MEMS技術(shù)的傳感器件的重要類型，本發(fā)明的提出對(duì)建立MEMS慣性器件的功能結(jié)構(gòu)部件的芯核模型具有普遍的理論指導(dǎo)意義，為MEMS慣性傳感器件的系統(tǒng)級(jí)建模方法的工具化奠定基礎(chǔ)。MEMS慣性傳感器件的可重用芯核庫(kù)為革新我國(guó)落后的微陀螺、微加速度計(jì)，研究開發(fā)先進(jìn)的微機(jī)械陀螺及加速度計(jì)等提供支撐，也為縮短我國(guó)與國(guó)際上MEMS系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)之間的差距提供方法和技術(shù)上的支持。
本發(fā)明的技術(shù)特征在于MEMS慣性傳感器件一般涉及到兩個(gè)能量域機(jī)械和電學(xué)。根據(jù)機(jī)械和電學(xué)兩個(gè)能量域，以機(jī)械行為建模方法和力電耦合行為建模方法建立機(jī)械和電學(xué)的微結(jié)構(gòu)行為模型，再根據(jù)芯核模型定義方法形成微慣性傳感器件的可重用芯核。
所述的機(jī)械行為建模方法是根據(jù)慣性微系統(tǒng)是通過芯片內(nèi)的功能結(jié)構(gòu)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理測(cè)量芯片的非慣性運(yùn)動(dòng)，為了便于獲取功能結(jié)構(gòu)部件在芯片中的行為模型，在不同的坐標(biāo)系中考查部件的行為，以建立慣性MEMS功能結(jié)構(gòu)部件行為模型。先建立局部坐標(biāo)系中的行為模型，然后將該行為模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到總體坐標(biāo)系中的行為模型。
所述的局部坐標(biāo)系中的行為模型是局部坐標(biāo)系的選擇原則是便于采用解析法建立功能結(jié)構(gòu)部件的行為方程。把功能結(jié)構(gòu)部件離散化，離散化的點(diǎn)稱為端點(diǎn)，根據(jù)使用的方便性選擇合適的端點(diǎn)描述微結(jié)構(gòu)的行為。設(shè)在微結(jié)構(gòu)上選擇了n個(gè)端點(diǎn)描述微結(jié)構(gòu)的行為，則在三維空間內(nèi)各端點(diǎn)上的作用力和位移可分別表示為Fi′＝[Fxi′Fyi′Fzi′Mxi′Myi′Mzi′]T(i＝1，…n)ri′＝[xi′yi′zi′αi′βi′γi′]T(i＝1，…，n)式中Fi′ri′分別表示第i個(gè)端點(diǎn)的位移和作用力。則功能結(jié)構(gòu)部件在局部坐標(biāo)系的行為模型可表示為F1′=f1′(r1′,r·1′,r··1′,···,ri′,r·i′,r··i′,···,rn′,r·n′,r··n′)F2′=f2′(r1′,r·1′,r··1′,···,ri′,r·i′,r··i′,···,rn′,r·n′,r··n′)·······Fn′=fn′(r1′,r·1′,r··1′,···,ri′,r·i′,r··i′,···,rn′,r·n′,r··n′).]]>所述的總體坐標(biāo)系中的行為模型是由于功能結(jié)構(gòu)部件在芯片中具有不同的初始方位角，為了反映部件在芯片中的初始方位，需要把其行為模型向總體坐標(biāo)系(總體坐標(biāo)系固連于MEMS芯片)轉(zhuǎn)換。設(shè)T為總體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系間的方向余弦矩陣，則功能結(jié)構(gòu)部件在總體坐標(biāo)系中的行為模型為F1=f1(r1,r·1,r··1,···,ri,r·i,r··i,···,rn,r·n,r··n)F2=f2(r1,r·1,r··1,···,ri,r·i,r··i,···,rn,r·n,r··n)·······Fn=fn(r1,r·1,r··1,···,ri,r·i,r··i,···,rn,r·n,r··n).]]>
式中Fi和ri分別為功能結(jié)構(gòu)部件在總體坐標(biāo)系中載荷向量和位移向量，可分別表示為Fi＝ΩTFi′ri＝ΩTri′式中Ω為轉(zhuǎn)換矩陣，可表示為Ω=TT.]]>在慣性坐標(biāo)系中，當(dāng)總體坐標(biāo)系做平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，以芯片內(nèi)可動(dòng)部件的絕對(duì)線加速度和絕對(duì)角加速度a=r··R+r··r+ω·R×r+ωR×(ωR×r)+2ωR×r·a=ω·R+ωR×ωr+ω·r]]>對(duì)總體坐標(biāo)系中的行為模型進(jìn)行修正，得到功能結(jié)構(gòu)部件在非慣性總體坐標(biāo)系中的行為模型。在上式中 為總體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的絕對(duì)加速度； 為物體在總體坐標(biāo)系中的相對(duì)加速度；ωR為總體坐標(biāo)系的角速度；r為物體相對(duì)于總體坐標(biāo)系的位置矢量；ωr是物體在總體坐標(biāo)系中的相對(duì)角速度。故當(dāng)總體坐標(biāo)系做非慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)，功能結(jié)構(gòu)部件的端點(diǎn)的絕對(duì)加速度為r··i=aiαiT(i=1,...,n)]]>式中ai和αi分別為第i個(gè)端點(diǎn)的絕對(duì)線加速度和絕對(duì)角加速度。
微結(jié)構(gòu)的機(jī)械行為模型由功能結(jié)構(gòu)部件在總體坐標(biāo)系中的行為模型、芯片內(nèi)可動(dòng)部件的絕對(duì)加速度和絕對(duì)角加速度和當(dāng)總體坐標(biāo)系做非慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)，功能結(jié)構(gòu)部件的端點(diǎn)的絕對(duì)加速度定義。由于芯片內(nèi)可動(dòng)部件的絕對(duì)線加速度和絕對(duì)角加速度中有描述總體坐標(biāo)系的平動(dòng)物理量 與轉(zhuǎn)動(dòng)物理量ωR，故該模型反映了微結(jié)構(gòu)所在芯片在空間內(nèi)的非慣性運(yùn)動(dòng)(線加速運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng))。
所述的力電耦合行為建模方法是根據(jù)能量守恒定律，由兩導(dǎo)電結(jié)構(gòu)形成的系統(tǒng)(為一能量保守系統(tǒng))的能量關(guān)系可表示為dWe′(q，x)＝q·dV+Fe·dx式中We′(q，x)為導(dǎo)電結(jié)構(gòu)間貯存的靜電能的余能(或稱同能、共能)；V為兩導(dǎo)體間的電勢(shì)差；q為導(dǎo)體上的電荷量，F(xiàn)e為導(dǎo)體間的靜電力，x為導(dǎo)體間的相對(duì)位移。其中V和x是獨(dú)立變量。
作為能量保守系統(tǒng)，上述能量關(guān)系在x-V空間內(nèi)的積分與路徑無(wú)關(guān)，則有
We′=∫0kFe(x′,V=0)dx′+∫0vq(x,V′)dV′=∫0vC(x)V′dV′=12C(x)V2]]>式中C(x)為兩導(dǎo)體間的電容。由此，可得兩導(dǎo)體間的靜電力，即力電耦合微結(jié)構(gòu)的行為模型是Fe=∂We′∂x-q∂V∂x=12∂C(x)∂xV2.]]>此外，由于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有一定質(zhì)量，依照前面所述的微結(jié)構(gòu)機(jī)械行為建模方法建立其機(jī)械行為模型。
所述的芯核模型定義是把微結(jié)構(gòu)的端點(diǎn)與其芯核模型上的端點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，芯核模型上的每個(gè)端點(diǎn)都設(shè)置七個(gè)端口，用于描述微結(jié)構(gòu)的在三維空間內(nèi)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)(三個(gè)方向的平動(dòng)和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng))和電學(xué)性能。每個(gè)端點(diǎn)上都設(shè)置七個(gè)端口，每一個(gè)端口有兩個(gè)端口變量一個(gè)是通量，另一個(gè)是跨量。各能量域的通量和跨量見表1表1 各能量域的跨量和通量

另外，由于每一個(gè)微結(jié)構(gòu)的行為模型中都包含有描述芯片運(yùn)動(dòng)的物理量(線加速度

和角速度ωR)，故在微結(jié)構(gòu)的芯核模型中附加六個(gè)端口(分別描述芯片運(yùn)動(dòng)的六個(gè)自由度)反映芯片的非慣性運(yùn)動(dòng)，這些端口設(shè)定為全局輸入端口。具體可采用混合信號(hào)硬件描述語(yǔ)言MAST的“external”語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)端口的“全局性”定義。
以微結(jié)構(gòu)的基于特征的版圖幾何參數(shù)和部分加工工藝參數(shù)(如結(jié)構(gòu)的厚度和所使用材料等)作為芯核的參數(shù)，如微梁的參數(shù)有其版圖幾何尺寸參數(shù)長(zhǎng)度和寬度以及加工工藝參數(shù)厚度和所使用的材料參數(shù)(如楊氏模量、泊松比等)。
芯片運(yùn)動(dòng)芯核模型定義把描述芯片運(yùn)動(dòng)的芯核稱為“環(huán)境變量”，其沒有具體的三維結(jié)構(gòu)，是慣性MEMS的輔助建模芯核，用以描述芯片運(yùn)動(dòng)(用線加速度

和角速度ωR描述)。芯片運(yùn)動(dòng)芯核模型定義即環(huán)境變量定義是該芯核的左邊的6個(gè)端口描述芯片運(yùn)動(dòng)的六個(gè)自由度，該端口為信號(hào)流端口，每個(gè)端口只有一個(gè)端口變量；右邊的六個(gè)端口為全局輸出端口，與左邊的六個(gè)端口相對(duì)應(yīng)且作為全局輸出端口與微結(jié)構(gòu)芯核模型中的全局輸入端口相對(duì)應(yīng)以此實(shí)現(xiàn)MEMS芯片與芯片內(nèi)可動(dòng)部件之間的信息與能量的轉(zhuǎn)換。這樣可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境變量與微結(jié)構(gòu)芯核模型在對(duì)應(yīng)端口虛擬聯(lián)接(即不直接連線)的情況下，實(shí)現(xiàn)與微結(jié)構(gòu)芯核模型中描述芯片六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的端口相聯(lián)結(jié)。
一種根據(jù)上述建模方法建立的芯核庫(kù)在三維空間內(nèi)建立MEMS慣性器件的典型功能結(jié)構(gòu)部件的參數(shù)化芯核模型，芯核模型的集合形成芯核庫(kù)。其特征在于該芯核庫(kù)由微機(jī)械芯核、力電耦合芯核和輔助建模芯核模型組成；微機(jī)械芯核包括錨點(diǎn)、空間梁、質(zhì)量塊、桿聯(lián)結(jié)件，其行為模型通過微結(jié)構(gòu)的機(jī)械行為建模方法獲??；力電耦合芯核包括梳狀可變電容器和平板式可變電容器，其機(jī)械行為由微結(jié)構(gòu)的機(jī)械行為建模方法獲取，力電耦合行為模型由力電耦合微結(jié)構(gòu)的行為建模方法獲?。画h(huán)境變量描述MEMS芯片的運(yùn)動(dòng)，是慣性MEMS器件的輔助建模芯核。


圖1微慣性傳感器件的芯核建模過程圖2慣性MEMS的芯核庫(kù)的組成圖3空間梁的芯核模型原理4梳狀可變電容器(a)整體結(jié)構(gòu)示意圖(b)梳齒局部放大5錨點(diǎn)的芯核模型圖6空間梁的芯核模型圖7平板質(zhì)量塊的集總點(diǎn)質(zhì)量芯核模型圖8平板質(zhì)量塊的多節(jié)點(diǎn)芯核模型圖9杠聯(lián)結(jié)件的芯核模型圖10平板式可變電容器的芯核模型圖11梳狀結(jié)構(gòu)可變電容器的芯核模型
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述以空間梁和梳結(jié)構(gòu)可變電容為例定義慣性微結(jié)構(gòu)的芯核模型。
空間梁的芯核模型采用微結(jié)構(gòu)的機(jī)械行為建模方法建立其行為模型，然后依據(jù)微結(jié)構(gòu)芯核模型定義方法定義其芯核模型。
■在局部坐標(biāo)系中以梁的兩端點(diǎn)(以下標(biāo)1和2來表示兩端點(diǎn))來反映和研究梁的受力和變形情況。假定梁的拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)相互獨(dú)立，在小線位移和角位移情況下，梁在局部坐標(biāo)系下的行為方程為M′·r··′+B′·r·′+K′·r′=F′]]>式中M′，B′，K′分別為梁的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，r′和F′分別為梁兩個(gè)端點(diǎn)上的位移向量和載荷向量。
■在總體坐標(biāo)系中設(shè)T為總體坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系間的方向余弦矩陣，則梁在總體坐標(biāo)系中的行為方程為M·r··+B·r·+K·r=F]]>式中M，B，K，F(xiàn)和r分別為梁在總體坐標(biāo)系中的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、載荷向量和位移向量，可分別表示為M＝ΩTM′ΩB＝ΩTB′ΩK＝ΩTK′ΩF＝ΩTF′r＝ΩTr′式中Ω為轉(zhuǎn)換矩陣，可表示為Ω=TTTT]]>■在非慣性總體中當(dāng)總體坐標(biāo)系做平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，梁的絕對(duì)加速度為r··=(a1.α1,a2,α2)]]>由此可得梁的芯核根據(jù)梁在總體坐標(biāo)系中的行為方程M·r··+B·r·+K·r=F,]]>和當(dāng)總體坐標(biāo)系做平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，梁的絕對(duì)加速度r··=(a1,a1,a2,α2)]]>定義了梁的機(jī)械行為模型。依據(jù)梁的受力變形(兩端點(diǎn)共12個(gè)自由度)和電學(xué)行為(兩端點(diǎn)共2個(gè)自由度)的需要，將梁表示為具有14個(gè)端口的芯核模型，梁的芯核模型示意圖見附圖3。把位移x＝[xiyiziαiβiγi](i＝1，2表示梁的兩個(gè)端點(diǎn))作為跨量，力F＝[FxiFyiFziMxiMyiMzi](i＝1，2)作為通量可定義梁的多端口芯核模型。此外，模型中還有六個(gè)“看不見”的端口反映芯片的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，以在梁芯核模型中反映總體坐標(biāo)系的非慣性運(yùn)動(dòng)。
梳狀可變電容器的芯核模型梳狀可變電容器是力電耦合微結(jié)構(gòu)部件，采用力電耦合微結(jié)構(gòu)的行為建模方法建立其行為模型，然后依據(jù)微結(jié)構(gòu)芯核模型定義方法定義其芯核模型。
圖4所示為一梳狀可變電容器，其由固定梳齒和活動(dòng)梳齒構(gòu)成。建模時(shí)做以下簡(jiǎn)化忽略邊緣場(chǎng)效應(yīng)，活動(dòng)梳齒只沿x和y向運(yùn)動(dòng)，故梳狀結(jié)構(gòu)的電容值為C=tNϵ0(x0+x)(1g-y+1g+y)]]>式中t為梳齒的厚度，N為活動(dòng)梳齒個(gè)數(shù)，ε0為介電常數(shù)，x和y分別為活動(dòng)梳齒相對(duì)于固定梳齒的位移，x0和g分別為梳齒間的初始重疊值與間距。由力電耦合微結(jié)構(gòu)的行為建模方法得導(dǎo)體間的靜電力為FexFeyT=(Vr-Vs)22∂C∂x∂C∂yT]]>式中Fex，F(xiàn)ey分別為x和y向的靜電力，Vr，Vs分別為活動(dòng)梳齒和固定梳齒上的電勢(shì)。
梳齒具有一定質(zhì)量，把其看作剛體，依照前面所述的微結(jié)構(gòu)的機(jī)械行為建模方法建立其機(jī)械運(yùn)動(dòng)行為模型。
由此，梳狀可變電容器可建模為具有兩個(gè)端點(diǎn)(分別描述固定梳齒和活動(dòng)梳齒)的芯核，每個(gè)端點(diǎn)具有七個(gè)端口(分別描述6個(gè)機(jī)械自由度和一個(gè)電特性)，端口變量以位移和電勢(shì)為作為跨量，力與電流作為通量。同樣，該芯核中還有六個(gè)“看不見”的端口反映芯片的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，以在芯核中反映總體坐標(biāo)系的非慣性運(yùn)動(dòng)。
同理，可得到錨點(diǎn)芯核模型，見附圖5。其具有六個(gè)端口用來約束與其相聯(lián)結(jié)的芯核在該端點(diǎn)的位移為零。
空間梁芯核模型，見附圖6。依據(jù)梁的受力變形(兩端點(diǎn)共12個(gè)自由度)和電學(xué)行為(兩端點(diǎn)共2個(gè)自由度)的需要，將梁表示為具有14個(gè)端口的芯核模型。對(duì)于梁的大變形非線性行為，采用線性行為與非線性分別表述的方法，用應(yīng)力強(qiáng)化剛度矩陣修正小變性線性行為的剛度矩陣從而建立其行為方程。
平板質(zhì)量塊的集總點(diǎn)質(zhì)量芯核模型，見附圖7。把質(zhì)量塊看作剛體建立平板質(zhì)量塊的行為方程。為了方便描述質(zhì)量塊與其它芯核之間的幾何拓?fù)潢P(guān)系，可把平板質(zhì)量建立為具有8各端點(diǎn)的模型，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有7個(gè)端口(6個(gè)描述力學(xué)行為，1個(gè)描述電學(xué)行為)，見附圖6。
杠聯(lián)結(jié)件用來定義芯核聯(lián)結(jié)點(diǎn)間的幾何位置關(guān)系，是沒有質(zhì)量的剛性聯(lián)結(jié)芯核。其行為方程可由坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系導(dǎo)出，圖9為杠聯(lián)結(jié)件的多端口芯核模型，與空間梁類似，芯核共有14個(gè)端口(12個(gè)端口描述兩端點(diǎn)的12個(gè)自由度和2個(gè)點(diǎn)端口描述兩端點(diǎn)的電學(xué)行為)。
平板電容器和梳狀結(jié)構(gòu)電容器，其電容由兩導(dǎo)體間的電容公司導(dǎo)出。圖10所示為平板電容器的芯核模型示意圖，共有2個(gè)端點(diǎn)(描述上極板的運(yùn)動(dòng)，下極板固定)，端點(diǎn)有7個(gè)端口(6個(gè)描述力學(xué)行為，1個(gè)描述電學(xué)行為)。因?yàn)橄聵O板一般與基體固連，故把下極板的位移直接固定為零，下極板有一個(gè)電端口(描述下極板的電學(xué)行為)。
對(duì)于梳狀結(jié)構(gòu)可變電容，可看作是許多平行板電容器的并聯(lián)，其行為模型可由平行板電容器的公式導(dǎo)出。圖11所示為梳狀結(jié)構(gòu)電容器的芯核模型示意圖，其具有兩個(gè)端點(diǎn)(分別用來描述電容兩個(gè)極板的運(yùn)動(dòng))，每個(gè)端點(diǎn)具有7個(gè)端口(6個(gè)描述力學(xué)行為，1個(gè)描述電學(xué)行為)。
圖2所示的是用上述三維空間內(nèi)建立MEMS慣性器件的典型功能結(jié)構(gòu)部件的參數(shù)化芯核模型，如機(jī)械芯核、力電耦合芯核和輔助建模芯核模型集合形成的芯核庫(kù)。
權(quán)利要求
1.一種微型慣性傳感器件的芯核建模方法，其特征在于根據(jù)機(jī)械和電學(xué)兩個(gè)能量域，以機(jī)械行為建模方法和力電耦合行為建模方法建立機(jī)械和力電耦合微結(jié)構(gòu)行為模型，再根據(jù)芯核模型定義方法形成微慣性傳感器件的可重用芯核。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型慣性傳感器件的芯核建模方法，其特征在于所述的機(jī)械行為建模方法是在不同的坐標(biāo)系中考查功能結(jié)構(gòu)部件的行為，建立慣性MEMS功能結(jié)構(gòu)部件行為模型；先建立局部坐標(biāo)系中的行為模型，然后將該行為模型通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到總體坐標(biāo)系中的行為模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型慣性傳感器件的芯核建模方法，其特征在于所述的局部坐標(biāo)系中的行為模型是F1′=f1′(r1′,r·1′,r··1′,···ri′,r·i′,r··i′,···,rn′,r·n′,r··n′)]]>F2′=f2′(r1′,r·1′,r··1′,···ri′,r·i′,r··i′,···,rn′,r·n′,r··n′).]]>……Fn′=fn′(r1′,r·1′,r··1′,···ri′,r·i′,r··i′,···,rn′,r·n′,r··n′)]]>
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型慣性傳感器件的芯核建模方法，其特征在于所述的總體坐標(biāo)系中的行為模型是F1=f1(r1,r·1,r··1,···ri,r·i,r··i,···,rn,r·n,r··n)]]>F2=f2(r1,r·1,r··1,···ri,r·i,r··i,···,rn,r·n,r··n).]]>……Fn=fn(r1,r·1,r··1,···ri,r·i,r··i,···,rn,r·n,r··n)]]>
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型慣性傳感器件的芯核建模方法，其特征在于所述的行為模型轉(zhuǎn)換矩陣是Ω=TT.]]>
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型慣性傳感器件的芯核建模方法，其特征在于在慣性坐標(biāo)系中，當(dāng)總體坐標(biāo)系做平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，以芯片內(nèi)可動(dòng)部件的絕對(duì)線加速度和絕對(duì)角加速度a=r··R+r··r+ω·R×r+ωR×(ωR×r)+2ωR×r·]]>α=ω·R+ωR×ωr+ω·r;]]>對(duì)總體坐標(biāo)系中的行為模型進(jìn)行修正，得到可動(dòng)部件在非慣性總體坐標(biāo)系中的行為模型；總體坐標(biāo)系做非慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)，功能結(jié)構(gòu)部件的端點(diǎn)的絕對(duì)加速度為r··i=aiaiT(i=1,...,n).]]>
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型慣性傳感器件的芯核建模方法，其特征在于所述的力電耦合微結(jié)構(gòu)行為建模方法是根據(jù)能量守恒定律，由兩導(dǎo)電結(jié)構(gòu)形成系統(tǒng)的能量關(guān)系可表示為dWe′(q，x)＝q·dV+Fe·dx，作為能量保守系統(tǒng)，則有We′=∫0xFe(x′,V=0)dx′+∫0Vq(x,V′)dV′]]>=∫0VC(x)V′dV′=12C(x)V2]]>可得力電耦合微結(jié)構(gòu)的行為模型是Fe=∂We′∂x-q∂V∂x=12∂C(x)∂xV2.]]>
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型慣性傳感器件的芯核建模方法，其特征在于所述的芯核模型定義是把功能結(jié)構(gòu)部件離散化，離散化的點(diǎn)稱為端點(diǎn)；在每個(gè)端點(diǎn)上都設(shè)置七個(gè)端口，每一個(gè)端口有兩個(gè)端口變量一個(gè)是通量，另一個(gè)是跨量；在芯核模型中附加六個(gè)描述芯片運(yùn)動(dòng)自由度的端口，這些端口為全局輸入端口。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的微型慣性傳感器件的芯核建模方法，其特征在于芯片運(yùn)動(dòng)芯核模型即環(huán)境變量定義是該芯核的左邊有6個(gè)端口描述芯片運(yùn)動(dòng)的六個(gè)自由度，該端口為信號(hào)流端口，每個(gè)端口只有一個(gè)端口變量；右邊的六個(gè)端口為全局輸出端口，與左邊的六個(gè)端口相對(duì)應(yīng)。
10.一種根據(jù)上述建模方法建立的芯核庫(kù)，其特征在于該芯核庫(kù)由微機(jī)械芯核、力電耦合芯核和輔助建模芯核模型組成；微機(jī)械芯核包括錨點(diǎn)、空間梁、質(zhì)量塊、桿聯(lián)結(jié)件，其行為模型通過微結(jié)構(gòu)的機(jī)械行為建模方法獲取；力電耦合芯核包括梳狀可變電容器和平板式可變電容器，其機(jī)械行為由微結(jié)構(gòu)的機(jī)械行為建模方法獲取，力電耦合行為模型由力電耦合微結(jié)構(gòu)的行為建模方法獲取；環(huán)境變量描述MEMS芯片的運(yùn)動(dòng)，是慣性MEMS器件的輔助建模芯核。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型慣性傳感器件的芯核建模方法及其芯核庫(kù)，屬于微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。技術(shù)特征在于根據(jù)機(jī)械和電學(xué)兩個(gè)能量域，以機(jī)械行為建模方法和力電耦合行為建模方法建立機(jī)械和電學(xué)的微結(jié)構(gòu)行為模型，再根據(jù)芯核模型定義方法形成微慣性傳感器件的可重用芯核。以及根據(jù)上述建模方法建立的芯核庫(kù)在三維空間內(nèi)建立MEMS慣性器件的典型功能結(jié)構(gòu)部件的參數(shù)化芯核模型，芯核模型的集合形成芯核庫(kù)。本發(fā)明的提出對(duì)建立MEMS慣性器件的功能結(jié)構(gòu)部件的芯核模型具有普遍的理論指導(dǎo)意義，為MEMS慣性傳感器件的系統(tǒng)級(jí)建模方法的工具化奠定基礎(chǔ)。可重用芯核庫(kù)為微陀螺、微加速度計(jì)，研究開發(fā)先進(jìn)的微機(jī)械陀螺及加速度計(jì)等提供支撐。
文檔編號(hào)G01P9/00GK1673751SQ20041002598
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2004年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月24日
發(fā)明者苑偉政, 霍鵬飛, 馬炳和, 齊大勇, 常洪龍, 李偉劍 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)