微陀螺模态特性的参数化分析方法

模态分析是微陀螺结构设计的重要环节,针对一种采用L形截面悬臂梁支撑的微陀螺结构,提出了参数化的模态分析方法.建立了微陀螺的参数化模型,以VC作为封装ANSYS的APDL命令流的工具,开发了微陀螺参数化的模态分析模块.利用该模块研究了微陀螺模态频率随主要结构尺寸变化的规律,发现对模态频率影响较大的是硅结构的厚度和支撑梁的...     

一种新的MEMS系统噪声建模方法

提出了一种基于Matlab中Simulink工具箱的行为级仿真建模方法。通过提取微机械陀螺的机械结构参数以及外围电路的主要参数,利用传感器的运动方程和系统的传递函数在Simulink平台上建立起MEMS陀螺系统的行为级仿真平台.并在该平台中加入了陀螺器件和电路部分的噪声源。同时对AD630解调电路进行了建模以及噪声性能测试,分析了此种开关型解调电路的优化应用条件。     

一种新型微机械陀螺仪结构方案设计与仿真

为了解决微机械陀螺仪驱动和检测模态耦合的问题,提出了一种新型的双质量块双线振动结构方案。根据微陀螺的结构和工作原理,对其驱动和检测模态进行了理论分析,给出了简化的动力学方程,并利ANSYS有限元分析软件进行了数值仿真,以验证设计思想的正确性。     

基于DSP的MEMS陀螺误差建模与滤波方法研究

针对微机电系统(MEMS)陀螺测量精度低、随机噪声复杂的问题,根据MEMS陀螺的实测数据,分析其噪声特性,研究MEMS陀螺的随机噪声模型。应用时间序列分析方法,采用时间序列分析(AR)模型对MEMS陀螺测量数据噪声进行建模,该模型反映陀螺的噪声特性,基于该随机噪声模型,采用Kalman滤波技术有效降低了随机噪声对MEMS陀螺测量精度的影响。通过对MEMS陀螺实测数据的仿真试验结果表明:提出的建模与滤波方法能够有效地抑制其随机噪声误差,提高实际应用中的测量精度。     

一种新型解耦陀螺的结构及电路设计

提出了一种新型的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另外一组梳齿两种结构检测感应模态的振动.该结构阻尼系数小,可达到较高的测量分辨率和准确率.本文采用解析方法和有限元法分析了该结构的振动阻尼特性、机械解耦和噪声特性以及梳齿结构的电磁学特性.提出了该结构的驱动电路和信号检测电路,并对电路特性进行了仿真分析.     

高灵敏度谐振式微加速度传感器的设计与制作

为提高加速度传感器灵敏度,提出一种新的加速度敏感机制,并基于此原理设计了一种新的微机械谐振式加速度传感器结构.分析了加速度传感器的数学模型及影响灵敏度的关键参数,并以此为依据对传感器结构参数进行优化设计.采用扩散硅层作为谐振子,提高器件性能的同时简化了制作工艺,利用KOH溶液湿法腐蚀硅在各晶向上的各向异性,实现了支撑梁...     

压电型微固体模态陀螺的模态及谐振分析

压电型微固体模态陀螺利用压电体的特殊振动模态来工作,它是一种不同于微振动陀螺的全固态微陀螺.在压电型微固体模态陀螺中不存在整体运动的部件和弹性支撑结构,因此抗冲击、抗震动能力强.同时,它对真空封装没有特殊的要求,因此稳定性好,长期工作可靠性高.文中详细介绍了压电型微固体模态陀螺的工作机理,建立了该种新型微陀螺的结构模型,并对压电块的振动模态和自激谐振进行了有限元分析,获得了满足要求的工作振动模态.通过谐振分析,进一步验证了提出的结构模型的有效性.本文为压电型微固体模态陀螺的制作提供了理论依据.     

微机械陀螺闭环驱动电路的新方法

闭环驱动方式是目前高性能微机械陀螺的主流驱动方式,大部分的闭环驱动电路采用了自动增益控制模块以稳定输出信号的幅度,但是,采用AGC模块会限制电路的线性工作范围,而且输出摆幅有限,因此制约了微机械陀螺系统的灵敏度和稳定性。基于以上不足,在建立微机械陀螺系统等效电路模型的基础上,提出一种新颖的解决方案,采用比较器代替AGC模块,实现对陀螺输出信号幅度的控制,这种方案不仅电路结构更为简单,而且增大了整体电路的线性工作范围,能够始终输出满量程的驱动信号。     

一种Z轴微机械陀螺的自解耦方法研究

在分析了微机械陀螺机械耦合误差产生原因的基础上,提出了一种解耦梁方案,可以从结构上消除振动式微机械陀螺敏感模态对驱动模态的耦合影响;基于该解耦梁方案设计了一种新型的Z轴微机械陀螺结构.分析表明,该陀螺结构消除了敏感模态对驱动模态的耦合影响,实现了解耦设计的目的.     

常压下工作的微机械陀螺的频率和阻尼特性

对微机械陀螺振动式陀螺的频率和阻尼特性进行了分析和模拟.以设计的一种微机械陀螺为模型,对其驱动和检测方向的阻尼力系数进行了计算,利用MATLAB模拟了阻尼对灵敏度以及频率特性的影响.得出了不仅频率匹配对微机械陀螺的性能有重要影响,而且阻尼匹配也会影响陀螺的灵敏度和频率特性.     

微机械双框架陀螺仪的机理研究

微机械双框架陀螺仪是一种用于测量运动物体角速度的微型惯性器件。由于其尺寸的大幅度减少,使它在许多领域都有极其广泛的应用,是当今微米/纳米技术发展的一个主要方向。介绍了该陀螺仪的结构组成与工作机理,建立其力学模型,并在此基础上,主要对原理误差进行了定性的分析,得出了影响其精度的主要干扰源,为误差的补偿指明了方向。     

无驱动结构微机械陀螺理论分析

应用欧拉动力学基本方程,对无驱动结构的硅微机械陀螺进行了理论分析,推导出陀螺在俯仰和偏航角速度同时存在情况下的动力学方程,建立了陀螺输出信号的数学模型。理论分析了陀螺输出信号的特点以及与俯仰、偏航角速度的关系。最后,通过实物仿真实验,验证了推导的正确性,为无驱动结构陀螺的应用提供了理论指导。     

Structure design and fabrication of a novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope

A novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope is proposed which utilizes resonant sensing as the basis for Coriolis force detection instead of displacement sensing. It can overcome the shortcoming of single-mass resonant output micromechanical gyroscope and can reduce the common mode acceleration error by using a dual-mass topology structure and lever differential mechanism. The structure and operating principle of the device are introduced. Moreover, some important theoretical analyses of the gyroscope are provided in detail. The analytical results have shown that the resonant frequencies of vibrating mass and double-ended tuning fork resonators are 3.153 and 62.853 kHz. The device has a frequency sensitivity of 12.535 Hz/deg/s and a mechanical noise floor of $ 7.957\deg /{\text{h}}/\sqrt {{\text{Hz}}} A novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope is proposed which utilizes resonant sensing as the basis for Coriolis force detection instead of displacement sensing. It can overcome the shortcoming of single-mass resonant output micromechanical gyroscope and can reduce the common mode acceleration error by using a dual-mass topology structure and lever differential mechanism. The structure and operating principle of the device are introduced. Moreover, some important theoretical analyses of the gyroscope are provided in detail. The analytical results have shown that the resonant frequencies of vibrating mass and double-ended tuning fork resonators are 3.153 and 62.853 kHz. The device has a frequency sensitivity of 12.535 Hz/deg/s and a mechanical noise floor of 7.957deg/\texth/?{\textHz} 7.957\deg /{\text{h}}/\sqrt {{\text{Hz}}} in air. The finite element simulation results verify the accuracy of analytical algorithms. The common mode acceleration error of device can be reduced by 97.6%. The device is fabricated by SOG (Silicon on Glass) micro fabrication technology. Some important performances are measured by experimental method. The micromechanical gyroscope can be used to estimate the rotation rate by further implementing the signal processing electronics.     

振动轮式微机械陀螺仪闭环驱动控制方法研究

本文在分析振动轮式微机械陀螺仪稳定工作条件的基础上,探讨了微机械陀螺仪对驱动电路的控制要求,提出一种新颖的驱动频率自动跟踪的控制方法,给出了驱动电路闭环控制框图,详细分析了驱动模态闭环控制逻辑,最后的开、闭环对比实验说明了本控制方案的有效性。     

壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响

分析了壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响,导出并分析了不平衡摆性误差和正交不平衡误差。     

微机械陀螺的刻蚀误差特性分析

微陀螺仪结构上的腐蚀凹槽或腐蚀腔可以由深层反应离子刻蚀技术得到,加工过程中存在的刻蚀误差对微陀螺的固有频率、输出精度和稳定性有重要的影响.采用有限元分析软件ANSYS建立了一种梳状微机械陀螺的有限元分析模型,采用解析的方法并通过Matlab数学软件进行仿真,研究了由于加工误差导致微梁过度刻蚀对微陀螺驱动模态、检测模态、固有频率、带宽、灵敏度的影响.结果表明,微梁刚度和微陀螺固有频率随着刻蚀角度的增大而增大;最大过度刻蚀角度为±2度时,其驱动模态和检测模态的固有频率的变化率均超过了14%;刻蚀误差会导致微陀螺工作模态降阶,以及干扰模态介于与驱动和检测模态之间且与驱动模态频率相近,这会严重影响微陀螺的输出精度;带宽随过度刻蚀夹角增大而减小,灵敏度随过度刻蚀夹角的变化而发生不规律变化;当刻蚀角度介于0°~1.5°时,微陀螺的灵敏度将高于无刻蚀误差时微陀螺的灵敏度.     

高速旋转飞行体姿态传感器信号解调方法

研制的无驱动结构微机械陀螺可同时敏感高速旋转飞行体滚动角速度、输入角速度(俯仰和偏航角速合成的角速度)信息。为了将合角速度分解成偏航角速度和俯仰角速度,利用加速度计建立了空间基准,通过陀螺和加速度计输出信号的相位差,可确定飞行体空间偏转方向。阐明了该方法原理,分析了误差因素,对主要误差因素滚动角速度与合速度影响建立了复合影响数学模型,并进行了补偿。结果表明:通过该方法可以确定飞行体空间偏转方向,从而可将俯仰和偏航角速度分解出来。     

Simulation model for micromechanical angular rate sensor

A simulation model for an angular rate sensor, a gyroscope, is presented. The device is based on a micromechanical dual torsional mass system which is actuated electrostatically and sensed capacitively. Model equations describing a dynamic, non-linear system are first presented and then realized as an electrical equivalent circuit. The vibrational modes of the system are modelled with coupled resonator circuits. The electrostatic and Coriolis forces as well as variable capacitances in the small air gaps are modelled with non-linear controlled current sources. External forces, torques and electrical actuation can act as inputs to the device. The model presented allows numerical sensor simulations concurrently with the interfacing electronics in the time and frequency domains. The model is verified by comparing its simulation results to measured frequency responses and capacitance-voltage characteristics.     

三框架电容式硅微机械陀螺动力学分析

为了解决双框架陀螺在加工中不可避免的误差,提出了三框架电容式微机械陀螺系统。该系统由3个框架(即3个质量块)组成。采用静电差分驱动方式,梳状叉指电容,多个柔性杆设计使得该结构从理论分析和加工误差上解决了耦合现象。同时,通过提高中间框架的质量,使得陀螺的灵敏度大大提高。介绍了该三框架电容式微机械陀螺仪的工作原理,给出了所设计陀螺动力学方程的详尽推导和MAT-LAB仿真分析。     

硅微机械谐振式陀螺仪的技术研究

介绍了硅微机械谐振式陀螺仪的工作原理,设计了一种新型微机械谐振式陀螺,并用有限元方法进行了仿真,制造了一批样机,进行了初步的驱动特性实验.结果表明,该微机械谐振陀螺仪实际驱动模态的谐振频率与仿真值的最大误差小于6%,满足设计要求.