隧道磁阻微陀螺结构设计与加工

微机械陀螺的核心技术是微弱柯氏力的检测,而常规的微弱柯氏力检测水平已达到极限.本文设计了一款新颖的基于隧道磁阻效应检测的面内微陀螺结构,利用隧道磁阻效应的高灵敏特性来实现微弱柯氏力的高灵敏检测.阐述了隧道磁阻微陀螺的工作原理,分析了微陀螺的动力学方程,完成了微陀螺结构设计、工艺加工及测试.测试结果表明:微陀螺驱动方向和检测方向谐振频率分别为6 853Hz和6 854Hz,与理论仿真基本一致;微陀螺驱动方向Q值为571.1,检测方向Q值为527.3,结构灵敏度为15.3nm/°/s.     

谐振式巨磁阻微机械陀螺噪声分析

巨磁阻效应微陀螺具有高灵敏、低噪声等优点.本文详细阐述了巨磁阻效应微陀螺的工作原理,设计了微陀螺结构,其驱动方向频率为5 553.7Hz,检测方向频率为5 556.7Hz,频率差仅为3Hz,实现了模态的良好匹配.设计了应用于该微陀螺中的检测磁场,测试了一款巨磁阻器件的灵敏度,基于上述结果完成了巨磁阻微陀螺的系统级仿真,并分析了巨磁阻微陀螺的噪声组成以及噪声的计算.仿真结果表明,将巨磁阻效应应用于陀螺的角速率信号检测中,可以实现灵敏度为46 mV·((°)/s)-1,噪声为7.826×10-3((°)/h)·(Hz)-1的信号检测.     

双质量块微振动陀螺设计与仿真

设计了一种能降低模态之间的机械耦合的电容式双质量块微振动陀螺.此陀螺能精确地匹配模态频率,而且可以克服重力加速度对输出检测电容的影响.利用ANSYS对结构进行了仿真和优化,得到驱动频率为1 010 Hz,检测频率为1 009 Hz,频率匹配系数达到0.099%.利用MATLAB进行系统仿真,得到结构灵敏度为31.61 fF/(rad.s-1)机械灵敏度为59.77 nm/(rad.s-1).     

新型反相位驱动双解耦微机械陀螺设计

为抑制在微机械陀螺中广泛存在的共模干扰问题,提出一种新型振动微机械陀螺结构设计．陀螺结构采用对称设计,将二自由度振荡系统同时引入到驱动模态和敏感模态中．通过在两个驱动质量块上施加反相位驱动力使驱动模态下质量块始终反向振动．通过左右两个完全相同的框架结构设计,最大限度消除外界振动导致的共模干扰．为消除多自由度驱动模态和敏感模态的耦合,将驱动方向的弹性悬梁引入敏感模态,使微机械陀螺具备双解耦结构．设计出的微机械陀螺,敏感模态增益较驱动模态提高约30 dB．驱动模态和敏感模态的带宽分别为250 Hz和310 Hz．在操作频率区域内可以提供稳定的增益和相位．并且达到有效消除共模干扰的目的．     

纳米光栅微陀螺噪声分辨率分析

针对现有的微机械陀螺噪声分辨率难以降低的问题,设计了一种基于纳米光栅检测的微陀螺,阐述了纳米光栅微陀螺的工作原理,分析了微陀螺的动力学方程,设计了微陀螺结构,该微陀螺结构灵敏度达到21.27nm/°/s.设计了应用于微陀螺的纳米光栅结构,其衍射灵敏度为0.001 75mW/nm.在SIMULINK中对纳米光栅微陀螺的灵敏度进行了仿真,纳米光栅微陀螺灵敏度为37mV/°/s.计算结果表明,纳米光栅微陀螺的噪声分辨率达到了2.903×10~(-4)°/h/Hz~(1/2).     

基于灵敏度解析的微机械陀螺结构优化方法

以一种音叉振动式微机械陀螺为研究对象,对其复杂多自由度模型的24个设计参数进行灵敏度解析,分别计算其对系统驱动模态和检测模态固有频率的动态灵敏度,筛选并确定出5个对最终输出性能影响最为关键的尺寸参数;以这5个参数为设计变量,并以系统输出特性作为优化目标对微陀螺结构进行了优化.灵敏度解析方法的应用有效解决了微陀螺结构优化过程中所存在的计算量大、解析时间长等实际问题,对相关MEMS器件的结构优化设计研究具有一定的参考价值.     

体硅微机械陀螺的设计与模拟

针对工艺误差引起的频率不匹配问题,模拟设计一种基于体硅工艺的新型结构高灵敏度微机械陀螺,采用差分驱动有效克服了静电力分布不均匀对灵敏度的影响．通过对陀螺的结构性能进行有限元模拟分析,合理选择结构参数,驱动频率为5．200kHz,敏感频率为5．187kHz,匹配系数R≈0．25％．此结构既有效地消除了机械耦合,又使驱动模态与敏感模态匹配良好．     

多自由度微陀螺结构参数对其动态性能影响分析

为了解决多自由度微机械陀螺结构设计中存在的参数耦合问题,提出了一种基于增益和带宽最优化的参数设定方法。为了从结构设计和参数限定的角度提高单轴微机械振动陀螺的性能指标,分析了多自由度单轴微机械振动陀螺的参数对于陀螺性能的影响。为了抑制低频环境噪声对于输出信号的影响,陀螺的驱动需要在高频率范围内进行操作。通过理论推演得到在高操作频率下陀螺结构设计中广泛存在于峰值间隔频率、操作频率、阻尼与陀螺性能之间相互制约的内在关系。结合其设计原则,设计出的微机械陀螺带宽为200 Hz、增益提高了5 dB,能满足绝大多数工程应用的要求。     

石英音叉陀螺振动特性有限元仿真

石英音叉陀螺是一种新型的振动陀螺.在设计阶段必须对其性能进行分析仿真,以便为微型石英陀螺的设计提供依据,缩短开发周期.利用耦合场有限元对石英音叉陀螺的振动特性进行了仿真,确定了最佳激励信号频率和影响陀螺灵敏度的因素,并且给出了调节驱动模态与检测模态的频率差值的方法.     

Z轴微机械陀螺仪的空气阻尼分析

为了提高Z轴微机械陀螺的动态特性,采用ANSYS模态分析和流体薄膜技术完成滑膜阻尼和压膜阻尼的计算,分析了空气阻尼对陀螺的品质因数、灵敏度等性能的影响,研究结果表明,具有对称解耦能力的微机械陀螺仪主要产生滑膜阻尼,阻尼系数较小,约为1.3E-5kg/s,微机械陀螺品质因数为900.结合工艺误差和结构设计特性,提出减小微机械陀螺空气阻尼的优化方案.