MEMS陀螺仪ΣΔ闭环系统优化设计

为解决传统ΣΔ闭环控制系统存在的量化增益不可控问题,设计了基于3-level量化技术的改进系统;针对此系统应用于微电子机械系统(MEMS)陀螺仪时引入的非线性反馈误差,提出了一种调整反馈脉冲宽度的矫正技术;并基于课题组研制的新型类蛛网环式谐振陀螺仪验证了改进系统的实用性。首先采用Simulink建立了四阶机电耦合ΣΔ系统等效模型,理论分析与仿真结果表明,3-level量化技术在降低量化噪声的同时解决了量化增益不可控问题,进而有效提高了陀螺仪量程和噪声水平性能。然后基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)设计制作了相应的数字测控电路,实验结果显示,陀螺仪的角度随机游走由0.094°/√h降低为0.062°/√h,量程由100°/s提高到130°/s,系统性能得到了有效提升。     

MEMS陀螺仪零偏温度特性分析及性能优化北大核心

零偏温度漂移是MEMS陀螺仪主要误差源之一,对MEMS陀螺仪零偏温度漂移误差源进行了分析。检测电路中延时相位的漂移是引起MEMS陀螺仪零偏温度漂移的主要原因。自时钟技术基于锁相环原理,将MEMS陀螺仪的驱动频率作为锁相环参考频率。陀螺仪检测电路的系统时钟频率跟随MEMS陀螺仪驱动频率而变化,两者始终保持固定的比例关系,最大限度地消除了延时相位变化。使用自时钟技术,将MEMS陀螺仪零偏温度漂移减小为原来的2%。     

FA优化BP神经网络的MEMS陀螺仪温度漂移补偿

微电子机械系统(MEMS)陀螺仪输出易受环境温度的影响,产生温度漂移,测量精度降低,为解决这个问题,提出一种萤火虫算法(FA)优化BP神经网络的温度漂移补偿方法,在传统的BP神经网络中,存在易陷于局部极值的问题可能降低建模精度甚至导致建模失败,而此方法可以避免这个问题。首先在全温区(-40℃～+70℃)选取7个温度点进行测试,接下来采用该方法建立MEMS陀螺仪温度漂移模型并进行实际验证,验证结果表明该方法可以明显降低MEMS陀螺仪温度漂移,且相比于传统BP神经网络,其补偿效果也有较大幅度提升。     

高精度MEMS硅微陀螺仪正交误差设计

正交误差是影响振动式硅微陀螺仪测量精度的主要因素之一,设计并制备了一种具有正交误差校正功能的高精度振动式微电子机械系统(MEMS)硅微陀螺仪。阐述了振动式硅微陀螺仪的工作原理,分析了正交误差产生的机理,并介绍了正交误差对陀螺仪测量精度的影响。为了进一步提升陀螺仪的测量精度,利用直流负刚度校正法对陀螺仪正交误差进行了校正,并通过有限元仿真确定了高精度陀螺仪敏感结构的最优参数。利用圆片级真空封装技术和绝缘体上硅(SOI)工艺实现了高精度陀螺仪敏感结构芯片的制备,采用高密度LCC20陶瓷管壳实现了高精度陀螺仪的集成封装。陀螺仪封装后,整体尺寸为9.0 mm×9.0 mm×2.8 mm。测试了陀螺仪的性能参数。测试结果表明,陀螺仪量程为±500°/s,零偏不稳定性为1.052°/h,零偏为0.004°/s,能够满足陀螺仪大部分中低精度应用需求。     

MEMS传感器现状及应用

MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。其次,对MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEMS传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEMS压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEMS传感器的发展趋势进行了展望。     

侵彻姿态测量中MEMS陀螺仪结构仿真与冲击实验

弹体在高速侵彻过程中的姿态偏转是影响其效能的重要因素,利用微电子机械系统(MEMS)陀螺仪进行姿态测量是监测弹体姿态变化的主要手段.针对侵彻弹体姿态测量对MEMS陀螺仪提出的抗高过载要求,采用结构仿真和冲击实验的方法对国产MEMS陀螺仪进行了抗高过载研究.在结构仿真中,利用ANSYS有限元软件对MEMS陀螺仪敏感结构进...     

MEMS陀螺仪振动特性分析及性能优化北大核心

谐振式MEMS陀螺仪在随机振动中会发生性能退化,主要表现形式为噪声增大、零偏变化及标度因数降低。研究了陀螺仪的振动模态,发现当正交耦合和电容不对称时,检测模态及检测同相模态极易被激发。被激发的两种信号会占用有限的C/V检测信道,引起信道饱和,造成标度因数变小,同时还会引起振中噪声变大和零位变化。从加工工艺和MEMS设计两方面提出提高陀螺仪振动性能的方法。优化后陀螺仪振中噪声降为优化前的1/10,振中零位差降为原来的1/5,标度因数降低的现象完全消失。     

MEMS陀螺仪抗冲击设计技术

为了提高微电子机械系统(MEMS)陀螺仪的抗冲击能力,设计了一种抗冲击保护结构。通过建立陀螺仪结构双自由度冲击模型,推导出陀螺仪结构和冲击保护结构的冲击响应方程,分别对陀螺仪和冲击保护结构进行详细的位移与加速度响应的理论推导。根据理论推导在Matlab上对位移和加速度响应随影响因素的变化进行仿真分析,并对有无冲击保护结构的陀螺仪抗冲击能力进行对比分析。仿真分析表明增加冲击保护结构后陀螺仪的抗冲击能力至少提高了3倍,验证了设计的冲击保护结构的有效性。实验表明冲击频率越接近陀螺仪的固有频率,冲击响应越大,梁越容易发生断裂失效。     

全解耦硅MEMS陀螺仪正交耦合分析北大核心

为了减小正交误差对硅MEMS陀螺仪性能的影响,进一步提高陀螺精度和工程化成品率,对MEMS陀螺正交耦合的影响因素进行了研究。通过MEMS陀螺的运动学简化模型,分析了正交耦合的起因;计算了MEMS陀螺的静电驱动力和阻尼系数,建立了MEMS陀螺有限元参数化模型,利用谐波分析模拟了陀螺在驱动模态下的运动状态;在谐波分析的基础上,研究了不同误差来源对正交耦合的影响。结果表明：侧壁垂直度误差不是正交耦合的起因;科氏质量重心偏移对正交耦合的影响很小,即使在误差敏感方向上,正交耦合系数的敏感度也只有0.003 2%/μm;振动结构支撑梁的加工误差是引起结构刚度不对称并产生正交耦合的主要因素,其中正交耦合系数对梁宽误差的敏感度可达2.15%/μm（梁宽误差为±0.1μm）,对梁倾斜误差的敏感度高达16%/（°）（梁角度误差为±0.05°）。     

Si MEMS陀螺仪的正交耦合补偿技术

为了减小正交耦合误差对硅微电子机械系统(MEMS)陀螺仪性能的影响,提高陀螺仪零偏精度,对MEMS陀螺仪正交耦合补偿技术进行研究.建立MEMS陀螺仪动力学模型,分析正交耦合产生的原因,介绍了各类正交耦合补偿机理.设计了一款可实现静电刚度补偿的MEMS陀螺仪,并利用绝缘体上硅(SOI)工艺进行制备.利用现场可编程门阵列(...     

移动互联网络时代MEMS技术的创新发展

微电子机械系统(MEMS)技术是半导体微电子学的创新,利用Si基集成电路的平面工艺从两维加工向三维加工发展,开创了MEMS新的领域。综述并分析了与信息产业以及移动网络相关的MEMS主流产品(加速度计、陀螺仪、微麦克风、数字微镜器件(DMD)、喷墨头和RF MEMS)的技术发展现状和趋势,同时预测了MEMS新兴产品(光滤波器、微小电子鼻、微扬声器、微超声器、微能量采集器和纳机电系统(NEMS))的科研现状和面临的技术挑战。从当前世界MEMS技术发展的特点(系统集成、与CMOS工艺结合走向标准加工、纳米制造与微米、纳米融合和多应用领域扩展)出发,结合国内MEMS技术发展的现状,提出我国MEMS技术发展的建议。     

MEMS流体陀螺的研究进展

随着微机电技术（MEMS）的快速发展,惯性器件微陀螺得到了广泛的发展和应用,其中微流体陀螺具有体积小、重量轻、成本低和抗高冲击等独特优点。根据陀螺原理的不同介绍了几种微流体陀螺,包括气体对流微陀螺、射流微陀螺、ECF流体微陀螺和超流体陀螺,气体对流陀螺和射流微陀螺属于常用的典型流体陀螺,而ECF流体陀螺和超流体陀螺属于新型的流体陀螺,分别分析了它们的原理和应用情况,并对它们的应用前景进行了展望,微流体陀螺将在惯性导航和自动控制等方面发挥越来越重要的作用。     

MEMS微型气相色谱分离柱结构的研究进展

气相色谱分离柱是色谱系统的重要组件之一,采用MEMS技术制作的微型气相色谱分离柱与传统分离柱相比,因其具有较小的平面二维结构和快速分离混合物的能力而备受青睐。对MEMS微型气相色谱分离柱结构的研究进展进行了综述,将硅基底材料制作的分离柱结构分为螺旋型、直线型、蛇型和阵列型,重点从组分分离时间、分辨率和理论热塔板数等方面对微型色谱分离柱的各种结构进行了综合分析和比较,并介绍了新兴工艺制作的镍基底、聚合物基底和PECVD薄膜基底的微型气相色谱分离柱。     

高过载姿态测量中MEMS陀螺失效模式与研究进展

高过载条件下姿态测量是一个公认的难题,其原因主要是角速度传感器难以经受高过载的冲击。基于微机电系统（MEMS）技术的陀螺作为解决高过载姿态测量问题的核心器件,其抗高过载能力直接制约着惯性导航系统在高过载环境中的应用。首先,介绍了弹药发射和侵彻两种典型高过载环境的特性,概括了在高过载环境中MEMS陀螺的响应类型;其次,总结了高过载条件下MEMS陀螺的失效模式,包括完全失效和功能性失效;然后,介绍了国内外在抗高过载MEMS陀螺方面的研究进展;最后,分别从器件设计和工程应用角度出发,提出了MEMS陀螺抗高过载的设计方法和应用思路。     

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...     

MEMS微同轴宽带功分器

随着微波系统大功率、超宽带的发展,对功率分配/合成结构的性能提出了更高的要求,超宽带、低损耗、小尺寸、易于集成的功分器成为研究热点.基于微电子机械系统(MEMS)工艺的微同轴射频传输线具有超宽带、无色散、低损耗和高隔离度等特点,使用微同轴工艺制备的功分器具有超宽带、低损耗、易于集成、小型化和可移植性好等特点.仿真并制作...     

高灵敏度Si基纤毛式MEMS湍流传感器

为了满足湍流探测高灵敏度、高分辨率的要求,提出了一种新型纤毛微电子机械系统(MEMS)湍流传感器。基于MEMS技术制作了硅十字梁敏感受力结构,通过橡胶探头的受力振动传递水中的湍流信号,凭借传感器头部的导流罩来保证传感器的高分辨率探测。对MEMS湍流传感器进行理论和仿真分析,其一阶共振频率达到481.04 Hz。经过海洋环境模拟机测试实验,结果显示其在50 MPa压力下保持了完好的结构和良好的性能,验证了其水下的可靠性。在湍流实验平台进行测试,通过比较标定法得出其灵敏度为1.92×10^-4 V·m·s^2/kg,满足海洋湍流测试要求。     

一种基于MEMS工艺的365 GHz硅微波导垂直转接结构

基于微电子机械系统(MEMS)工艺设计并制作了一种THz垂直转接结构,该结构采用6层硅片堆叠的硅微波导形式。理论分析计算了垂直转接结构的参数,并使用三维电磁场分析软件HFSS对该结构进行了模拟仿真。设计得到了中心频率为365 GHz、带宽为80 GHz、芯片尺寸为10 mm×7 mm×2.7 mm的THz垂直转接结构。给出了一套基于MEMS工艺的硅微波导的制作流程,制作了365 GHz垂直转接结构并对其进行测试。获得的THz垂直转接结构的回波损耗随频率变化的测试结果与仿真结果基本一致。采用MEMS工艺制作的硅微波导垂直转接结构具有精度高、一致性好、成本低的特点,满足THz器件的发展需求。