通过模态分析优化模态匹配体模压电微陀螺仪的设计

体压电微陀螺仪是一种微型惯性传感器，它利用 PZT 块的差分厚度剪切体模作为陀螺仪的驱动模。本文识别出第二种差分厚度伸缩模作为检测模，并首次通过合理的器件几何设计提出了模态匹配方案。通过有限元模态分析，获得了当 PZT 块长度从 4.8mm 变化到 5.6mm、宽度从 3.0mm 变化到 4.0mm 时的驱动模和检测模频率。采用拟合方法，导出了拟合效果极佳的经验公式，用于预测 PZT 块的长度和宽度对驱动模及检测模频率的影响。基于这些经验公式，引入了模态匹配方程。分析结果表明，对于给定的 PZT 块厚度，宽度对驱动模频率的影响显著；相反，长度对检测模频率的影响占主导地位。通过比较共振频率、动能比和陀螺仪标度因子来评估模态质量。结果显示，驱动模在 y 轴方向的动能和检测模在 z 轴方向的动能随 PZT 块厚度的增加而增加，从而导致陀螺仪的标度因子增大。对于恒定的 PZT 块厚度，标度因子将随长度的增加而减小。通过设计优化，我们将模态匹配陀螺仪的标度因子提高了 20 倍。给定 PZT 块厚度后，长度和宽度将由上述模态匹配方程确定。总体而言，分析表明增加 PZT 块厚度可提高陀螺仪的分辨率。