تحلیل یک نانوژیرویسکوپ مبتنی بر تیر مرتعش

ژیروسکوپ پیشنهادی با بهره مندی از مدهای ارتعاشی همسان در تیرها در شرایط مودهای تطبیقی کار می کند. روش تحریک مبتنی بر تحریک الکترواستاتیک و برای خوانش از خواص خازنی استفاده می شود. با افزایش فرکانس کاری به حدود مگاهرتز، سازه ای سخت تر خواهیم داشت که این امر منجر مقاوم تر بودن حسگر نسبت به شتاب های خطی خارجی و اثرات جاذبه خواهد شد. همچنین با افزایش فرکانس کاری سطح نویز های براونی کاهش یافته که این امر باعث بهبود یافتن قدرت تفکیک پذیری حسگر خواهد شد. شایان ذکر است که در طرح پیشنهادی به واسط? پایین تر بودن نسبت استهلاک ترموالاستیکی، سامانه از فاکتور کیفیت بالاتری نسبت به ژیروسکوپ های تجاری برخوردار خواهد بود که این امر باعث افزایش پهنای باند با حفظ دقت حسگر خواهد شد. برای شناخت شرایط بهینه در مود تحریک به تحلیل ارتعاشات غیرخطی پرداخته شده است. برای استخراج معادلات حرکت از اصول وردشی استفاده شده و منشاء غیرخطی های درنظر گرفته شده نیروهای الکترواستاتیک و دامنه ارتعاشات بزرگ تیر فرض شده است. این معادلات شامل معادلات ارتعاشی خمشی در دو راستای عرضی، ارتعاشات طولی و پیچشی هستند که با فرضیات ساده کننده ای معادلات حرکت تیرهای الاستیک کشایی و غیرکشایی در حضور سرعت زاویه ای پایه حاصل می گردد. برای بدست آوردن پاسخ تحلیلی-تقریبی از تئوری اغتشاشات و روش مقیاس های چندگانه استفاده شده است. بمنظور شناخت شرایط بهینه برای تحریک سامانه ارتعاشات آزاد، ارتعاشات غیرخطی تحت میدان الکترواستاتیک و اثرات ژیروسکوپی، تشدید اصلی ، تحلیل نقاط انشعاب و بررسی شرایط وقوع پرش در پاسخ سامانه نیز انجام گرفته. در نهایت با طراحی و شبیه سازی دینامیکی یک ژیروسکوپ مبتنی بر تیر مرتعش، حساسیت حسگر، قدرت تفکیک پذیری، پهنای باند، بازه دینامیکی و بازه عملکرد، سرعت پاسخ، حساسیت به شتاب جاذبه و حساسیت به شوک خارجی بررسی گردیده است و مشخصات عملکردی بدست آمده با مشخصه های برخی از ژیروسکوپ های تجاری mems مقایسه شده است. از نتایج بدست آمده در ارتعاشات آزاد و ارتعاشات تحت میدان الکترواستاتیک تحریک هر دو مود پیش گشت و پس گشت است درحالیکه در تشدید اصلی تنها مود پیش گشت تحریک می گردد. همچنین پاسخ ارتعاشات آزاد متاثر از هر دو نوع غیرخطی اینرسی و انحنا است. در تشدید اصلی نشان داده شد که در تحریک مود اول ارتعاشی، سامانه پدید? سخت شوندگی و در تحریک مود دوم و سوم، سامانه پدید? نرم شوندگی را تجربه می کند که در مود اول ارتعاشات، پاسخ سامانه بیشتر متأثر از اثرات غیرخطی انحنا است در حالیکه در مودهای دوم و سوم غیرخطی غالب در سامانه غیرخطی های اینرسی هستند. در تشدید اصلی افزایش سرعت زاویه ای ورودی تاثیر سخت شونده روی پاسخ فرکانسی دارد و باعث افزایش دامنه ارتعاشات می گردد و همچنین نشان داده شد که دستیابی به دامنه نوسانات بزرگتر و پایدارتر، بعد از وقوع پرش امکان پذیر است. در نهایت، در فرایند شبیه سازی ژیروسکوپ، پهنای باند حدود 40 هرتز، سرعت پاسخ دهی کمتر از 025/0 ثانیه، قدرت تفکیک پذیری 0073/0، گستره عملکرد خطی 400 و بازه دینامیکی 100 دسی بل به عنوان مشخصات عملکردی حاصل گردید.