大气下工作的微机械陀螺的设计及其噪声特性

设计了一种基于体微机械加工技术的新型音叉式微机械陀螺.该陀螺在驱动模态和检测模态的空气阻尼均为滑膜阻尼,有效提高了微机械陀螺的Q值和灵敏度,同时降低了陀螺的热机械噪声.对陀螺噪声特性进行的分析表明,该陀螺具有相对很低的热噪声.制作了陀螺芯片,并测试了其机械性能和噪声特性.结果表明,该陀螺的噪声谱密度不超过60μV/Hz,灵敏度为10mV/(°·s-1).该微机械陀螺有望实现较高的角速度分辨率.     

大气下工作的微机械陀螺的设计及其噪声特性

设计了一种基于体微机械加工技术的新型音叉式微机械陀螺．该陀螺在驱动模态和检测模态的空气阻尼均为滑膜阻尼，有效提高了微机械陀螺的Q值和灵敏度,同时降低了陀螺的热机械噪声．对陀螺噪声特性进行的分析表明，该陀螺具有相对很低的热噪声．制作了陀螺芯片，并测试了其机械性能和噪声特性．结果表明，该陀螺的噪声谱密度不超过60μV/Ｈｚ1/2，灵敏度为10mV/（°·s－１）．该微机械陀螺有望实现较高的角速度分辨率．     

抗过载微陀螺结构的高灵敏设计与仿真

为解决高过载微陀螺难以实现高灵敏检测的问题,设计了一种高灵敏且高过载的微陀螺结构。设计的微陀螺结构驱动模态与检测模态的频率高度匹配,提高了微陀螺的结构灵敏度。该微陀螺采用面内检测方式,驱动与检测模态阻尼类型主要为滑膜阻尼,实现了在大气压环境下微陀螺的高品质因数Q值设计。微陀螺均采用双悬臂梁设计,增加了微陀螺结构的稳定性,进而提高了其抗过载能力。最后通过微陀螺的器件级仿真,得到了所设计陀螺结构在驱动方向过载能力约为100 000g(g=9.8m/s~2),检测方向过载能力约为70 000g的前提下,结构灵敏度为53nm/[(°)/s]。     

一种新型解耦硅微机械陀螺的设计

提出了一种新型静电驱动微机械陀螺结构,采用两组对称的梳齿结构作为驱动电极,同时采用中央质量块栅格和与驱动电极相同的梳齿两种结构检测感应模态的振动,每种结构设计两组独立的检测电极,分别采用差分方式进行检测,有效提高了陀螺的灵敏度。该陀螺结构的驱动模态和感应模态振动相互解耦,振动特性相似,固有频率、阻尼系数和品质因数等参数接近。采用有限元法分析了该结构的参数和特性,介绍了结构的制作流程。该结构谐振频率高、阻尼系数小,可达到较高的测量分辨率和准确率。     

一种新型解耦硅微机械陀螺的设计

提出了一种新型静电驱动微机械陀螺结构,采用两组对称的梳齿结构作为驱动电极,同时采用中央质量块栅格和与驱动电极相同的梳齿两种结构检测感应模态的振动,每种结构设计两组独立的检测电极,分别采用差分方式进行检测,有效提高了陀螺的灵敏度。该陀螺结构的驱动模态和感应模态振动相互解耦,振动特性相似,固有频率、阻尼系数和品质因数等参数接近。采用有限元法分析了该结构的参数和特性,介绍了结构的制作流程。该结构谐振频率高、阻尼系数小,可达到较高的测量分辨率和准确率。     

旋转载体驱动硅微机械陀螺的设计和性能检测

提出了一种利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺,分析了该陀螺的工作原理,建立了这种陀螺的数学模型,设计了该陀螺的敏感结构,计算了陀螺的结构动力学参数,设计并分析了陀螺的信号检测与处理电路并针对该陀螺的特点设计了性能测试装置。理论研究和性能测试表明,利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺结构原理正确。     

MEMS陀螺中带孔结构空气阻尼建模分析

针对MEMS陀螺中带孔结构的空气阻尼问题,根据制作的微陀螺,利用MATLAB软件对模态匹配、Q值匹配与灵敏度之间的关系进行了仿真分析。仿真结果表明在驱动和检测模态匹配时灵敏度幅值最大,但工作带宽却随Qx与Qz乘积的增大而减小。建立了空气阻尼计算模型,并利用实验测试数据对空气阻尼计算模型进行了分析和检验。研究发现,微陀螺在驱动方向上,带孔平板结构的滑膜空气阻尼计算模型存在一定误差,经过系数修正后Q值的理论值与测试值具有较好的一致性,但仍需要进一步地修正和完善;在检测方向上,压膜空气阻尼模型比较准确,精度较高能控制在5%以内,可直接用于微陀螺的空气阻尼设计中。     

电磁驱动电容检测微机械陀螺的设计

介绍了一种电磁驱动电容检测微机械陀螺的结构和工作原理.该陀螺的突出优点在于驱动和检测采用了相互独立的折叠梁和振动质量,故驱动和检测间的耦合大大地减小.本文从理论上分析了折叠梁结构参数对振动模态频率的影响,并针对初步确定的结构尺寸,利用COVENTER WARE软件进行了静力学和动力学分析,对理论计算结果进行了验证.     

一种新的硅MEMS陀螺仪四相位闭环集成驱动电路

微机械陀螺的闭环驱动电路中通常采用两相位同频信号维持驱动环路谐振,但系统引入误差较大。提出了一种新的硅微机械陀螺四相位驱动系统,将四相位半频驱动电压加载到具有四组驱动电极的结构上,使系统维持在谐振频率上。采用该驱动电路,耦合到输出端的干扰信号为谐振频率的一半,只需采用适当的高通滤波器即可消除干扰信号对输出的污染,同时提高了系统的信噪比。采用0.5 μm CMOS工艺进行设计,版图尺寸约为2.8 mm×2.8 mm,测试结果表明该四相位驱动电路能很好地满足陀螺系统驱动模态维持谐振的要求。     

一种新的微机械陀螺品质因数测试方法

传统的微机械陀螺采用扫频方法测试结构的品质因数,存在耗时长、测量效率低和精度差等问题.提出了一种新的品质因数测量方法,该方法的原理是通过对陀螺的驱动端施加一个激励脉冲,采集驱动检测端的相应衰减信号,并通过处理得到衰减信号的频率和斜率,从而检测陀螺的品质因数.采用自行设计的激励电路,外购NI公司的高速采集卡和基于LabV...     

一种新型体硅谐振加速度计

设计了一种谐振加速度计.这种加速度计包括两个双端固定音叉、一个质量块、四套放大惯性力的杠杆系统以及激励和敏感梳.利用梳状电极每个音叉被静电激励和敏感.利用MEMS体硅工艺研制了这种新型加速度计,测试的灵敏度为27.3Hz/g,分辨率为167.8μg.     

Improved Design and Modeling of Micromachined Tuning Fork Gyroscope Characterized by High Quality Factor

This paper proposes an improved design of micromachined tuning fork gyroscope （M-TFG） to decouple the cross talk between driving and sensing directions better and to increase resolution. By employing dual-folds spring suspension, the drive mode and the sense mode are mechanically decoupled. Through careful layout design of the location of the dual-folds spring suspension and the drive combs, the mechanical coupling effect is further decreased by isolating the unwanted excitation from detection. The quality factor investigation demonstrates that high quality factor can be attained by using this structure, which can bring in accurate resolution. As a result, this design has the potential to accomplish low bias drift and accurate resolution for initial level applications.     

石英微机械陀螺敏感芯片的结构解耦特性研究

石英微机械陀螺敏感芯片通常采用双端音叉结构,驱动音叉和检测音叉的振动耦合误差是其主要误差源。对双端音叉结构陀螺敏感芯片进行了结构解耦设计仿真,分析了芯片安装区对检测音叉振动特性的影响。通过解耦设计,减小了零偏误差信号,提高了陀螺敏感芯片的稳定性。     

A microfabricated metal grating oscillator for electric field detection

This letter proposes a novel design of a Micro Electro Mechanical System （MEMS） device featuring a metal grating vibratory mierostructure driven by electrostatic force to sense the spatial electric field. Due to the advantages in slide-film damping and large vibration amplitude, such a device makes atmospheric packaging a low-cost option for practical manufacture. In this letter, we present the operating principles and specifications, the design structure, as well as the finite element simulation. Computational analysis shows that our design obtains good results in device parameters setting, while its simplicity and low-cost features make it an attractive solution for applications.     

数字解调自激励频率调制原子力显微镜

研制了以石英音叉探针作为力传感器的频率调制原子力显微镜（FM-AFM）。利用石英音叉具有压电特性且品质因数高的特点,采用正反馈回路控制石英音叉自激振动于实时共振频率处,通过反馈回路中设置自动增益控制环节控制石英音叉振幅恒定;以简单的标定方法,由流经石英音叉的电流定量计算出石英音叉探针的振动幅度;设计了基于现场可编程逻辑...     

压电音叉频率特性检测系统研究

压电音叉广泛应用于工业领域,其频率特性是工程技术应用的关键指标。传统的压电音叉频率的检测效率低、适应性差,为了精确地测定压电音叉的频率特性,提高测试效率,该文以工业中常用的音叉物位计为对象,设计了基于ARM9的频率特性检测系统,此系统能够显示压电音叉的固有频率,以判断是否符合要求,提高了效率和精度。     

微机械音叉陀螺外围电路研究及仿真

介绍一种微机械音叉陀螺外围电路的基本结构及各组成部分的工作原理。针对机械敏感单元设计了陀螺的外围电路，通过系统分析，建立了数学模型，并利用Matlab对整个模型进行行为级仿真，验证所设计电路的可行性。仿真结果为电路的设计、调试提供了有利的分析方法和手段，具有一定指导意义。     

空气阻尼对微谐振器品质因子及其传输函数的影响

振动方向平行于衬底的梳状微谐振器的品质因子在高真空下可以高达10⁵以上.常压下,受空气阻尼影响,品质因子跌落到10²左右甚至更小.为了设计时能对谐振器的品质因子有一个较为精确的估计,本文首先利用纳维尔-斯托克斯近似方法和库特近似方法对常压下的横向振动谐振器的阻尼功耗进行了估算.同时谐振器作为电路元件,阻尼等效于电路中的电阻,直接影响器件的传输函数,因此本文又建立了该种谐振器的集总参数网络,研究了阻尼对传输函数影响。其结果对横向振动微谐振器的设计有一定意义.     

一种新型的基于滑膜阻尼的电容式双向MEMS惯性传感器

设计了一个新型的结构完全对称的双向MEMS电容式惯性传感器.该传感器主要由可动质量块、栅形条、支撑梁、连接梁、阻尼调整梳齿组成.设计的结构采用变电容面积的检测方式,在降低空气阻尼的同时也降低了对DRIE工艺的要求,并通过加大测试信号电压来降低电路噪声,从而提高传感器的分辨率.用有限元工具ANSYS详细讨论了传感器的参数和性能,并模拟验证了设计的双向传感器的交叉效应近似为零.制作了滑膜阻尼测试器件,在大气压下,测得的品质因子可达514,验证了该结构设计可以提高传感器的分辨率和该工艺设计的可行性.