Preview

Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie

Advanced search

A Comparative Analysis of Different Approaches to Determination of the Natural Frequencies of the MEMS Gyros

https://doi.org/10.17587/mau.18.196-205

Abstract

The article is devoted to research different approaches used to determine the natural frequencies of the MEMS-gyro sensing element at the design stage. In a general case, the MEMS-gyro sensing element can be presented as one or more proof masses, which are connected with each other and with the gyro base by means of springs. Well-known mathematical models for the dynamics of the sensitive element consider it as a discrete system, where the proof masses are substituted by its mass center and the springs are substituted by their stiffness. The finite element modeling (FEM) allows us to consider the sensitive element as a system of linked solid deformable bodies. However, the results of the finite element simulation of the sensing element dynamics depends on the theory of bending supported in the elements used for modeling. Currently, the classical theory of bending of the Euler-Bernoulli and Timoshenko theory are widely used for the finite element simulation of the sensing element. Each of the three approaches (the mathematical models, FEM with Euler-Bernoulli theory, FEM with Timoshenko theory) has its advantages and disadvantages. In the paper the problem of the difference of the simulation results using one of the three approaches by the example for determination of the micromechanical gyroscope natural frequencies was investigated. Specific recommendations for the study of the micromechanical sensors and determination of their natural frequencies were formulated.

About the Authors

V. M. Pankratov
Institute of Precision Mechanics and Control, Russian Academy of Sciences
Russian Federation


M. A. Barulina
Institute of Precision Mechanics and Control, Russian Academy of Sciences
Russian Federation


References

1. Пешехонов В. Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем // Гироскопия и навигация. 2011. № 1. С. 3-17.

2. Боронахин А. М., Подгорная Л. Н., Бохман Е. Д., Фили-пеня Н. С., Филатов Ю. В., Шалымов Р. В., Ларионов Д. Ю. Использование микромеханических чувствительных элементов в задачах диагностики рельсового пути // Гироскопия и навигация. 2012. № 1 (76). С. 57-66.

3. Лестев А. М., Попова И. В. Современное состояние и тенденции развития механических миниатюрных гироскопов в России // Гироскопия и навигация. 1997. № 2. С. 17-23.

4. Gabriel M. Rebeiz RF MEMS: Theory, Design, and Technology, 2001. 512 p.

5. Ghodssi R., Lin P. MEMS Materials and Processes Handbook (MEMS Reference Shelf) 2011th Edition. 1188 p.

6. Dussy S., Dun-ant D., Moy T., Perriault N., Celerier B. MEMS gyro for space applications. Overview of European activities // AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit 15-18 August 2005, San Francisco, California.

7. Acar С., Shkel А. MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness. Springer Publishing Company, Inc. 2008. 272 p.

8. Choudhary V., Iniewski K. MEMS: Fundamental Technology and Applications (Devices, Circuits, and Systems). CRC Press, 2013.

9. p.

10. Лукьянов Д. П., Распопов В. Я., Филатов Ю. В. Микромеханические навигационные приборы. С.-Петербург: Изд. Санкт-Петербургского гос. электротехнического ун-та "ЛЭТИ", 2008. 203 с.

11. Распопов В. Я. Микромеханические приборы: учеб. пособие. Тула: Изд. Тул. гос. университета, 2002. 392 с.

12. Джашитов В. Э., Панкратов В. М. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий / Под общ. ред. акад. РАН В. Г. Пе-шехонова. С.-Петербург: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2005. 404 с.

13. Tickoo Sham ANSYS 11.0 for Designers - CADCIM Technologies. 544 p.

14. Code Aster. [R3.08.01] "Accurate" beam elements (straight and curved). Документация для версии Code Aster 11. URL: http:// code-aster.org/doc/v11/en/index.php?man = R3 (Дата обращения: 20.03.2016).

15. CalculiX CrunchiX USER'S MANUAL version 2.5. Convergent Mechanical. 2003-2015. URL: http://bconverged.com/calculix/ doc/ccx/html/ccx.html Дата обращения: 20.03.2016).

16. OpenFOAM. Free Open Source CFD. The OpenFOAM Foundation. Корпоративный сайт. OpenFOAM Foundation. 2011-2016. URL: http://www.openfoam.org/ (Дата обращения: 20.03.2016).

17. COMSOL Multiphysics. The Platform for Physics-Based Modeling and Simulation. Корпоративный сайт. COMSOL Inc. 2016 URL: https://www.comsol.com/comsol-multiphysics (Дата обращения: 11.07.2016).

18. Octave and Matlab FEM Toolbox. Корпоративный сайт. Precise Simulation Ltd. 2016. URL: http://www.featool.com (Дата обращения: 11.07.2016).

19. Барулина М. А., Панкратов В. М. Моделирование динамических процессов в микромеханических датчиках инерциальной информации и их компонентах с помощью специализированного программного обеспечения // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королева. 2015. Т. 14. № 2. С. 223-233.

20. Елисеев В. В. Механика упругих тел. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 341 с.

21. Григолюк Э. И., Селезов И. Т. Неклассические теории колебаний стержней, пластин и оболочек // Итоги науки и техники. Сер.: Мех. тверд. деформ. тел. М.: ВИНИТИ, 1973. Т. 5.

22. с.

23. Джашитов В. Э., Панкратов В. М., Барулина М. А. Теоретические основы разработки и создания суперминиатюрного микромеханического многофункционального датчика инерциальной информации // Нано- и микросистемная техника. 2010. № 5 (118). С. 46-54.

24. Барулина М. А. Математическое обеспечение конечно-элементного моделирования микромеханических датчиков инерциальной информации в рамках неклассической теории изгиба // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 11. С. 764-770.

25. Барулина М. А. Построение матрицы масс трехмерного конечного элемента для моделирования динамики микромеханических датчиков инерциальной информации и их узлов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 5. С. 352-360.

26. Филиппов А. П. Колебания упругих систем. Киев: Изд-во АН УССР, 1956. 322 с.


Review

For citations:


Pankratov V.M., Barulina M.A. A Comparative Analysis of Different Approaches to Determination of the Natural Frequencies of the MEMS Gyros. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2017;18(3):196-202. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.18.196-205

Views: 478


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1684-6427 (Print)
ISSN 2619-1253 (Online)