磁悬浮转子微陀螺及其悬浮力与稳定性的分析

磁悬浮转子微陀螺是一种集经典陀螺的工作原理与易实现微加工批量生产的特点于一体,可望得到高准确度的微陀螺。它是基于电磁场原理得以悬浮、旋转以及稳定;以ANSYS5.6有限元分析软件包为工具分析了悬浮线圈中的电流幅值和线圈宽度对悬浮力的影响规律;分析了磁悬浮转子微陀螺的运行稳定性,验证了稳定线圈能使微转子稳定运行,从而磁悬浮转子微陀螺的设计得以论证。进行的数值计算为优化微陀螺的结构设计提供依据。     

微机械陀螺的仿真与优化

微机械陀螺依靠振动模态频率来测量旋转角速度,通常微机械结构的振动模态相当复杂。虽然已有很多文章研究了如何调节驱动模态和敏感模态以获得最大的敏感度,却很少有人分析微机械陀螺的振动模态。振动模态与陀螺结构的设计参数有极大的关系,这些参数包括陀螺检测质量的尺寸、支撑系统的类型和尺寸,以及用以制造陀螺主体的多晶硅的残余应力。研究了一个静电驱动、电容检测、敏感垂直轴角速度的陀螺(也称平面陀螺)。同时,用有限元法分析法对微机械陀螺的结构进行了分析。     

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.     

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.     

金属多环振动盘MEMS微陀螺及其微加工工艺

基于硅基振动盘微陀螺采用金属材料作为振子,提出了一种金属结构多环振动盘MEMS微陀螺,通过使用电镀工艺,实现了金属结构多环振动盘微陀螺的低成本低温加工方法.通过研究振动盘式微陀螺的工作原理及检测和驱动方法,设计了多环振动盘微陀螺的结构.使用有限元方法对陀螺金属振子进行了动力学仿真,验证了金属结构多环振动盘陀螺的可行性,并对微陀螺的加工工艺流程进行了微加工制作,获得了微陀螺芯片.研究解决了实现金属结构多环振动盘微陀螺的关键技术.     

旋转摆动式硅微机械陀螺敏感头的研制

介绍旋转摆动式硅微机械陀螺电容敏感的原理,给出了陀螺振动单元的结构尺寸,计算了被测角速度和敏感电容的关系,进而得到被测角速度和输出电压的关系.利用微机械加工方法加工得到了硅振动单元,加工硅振动单元的工艺特点是双面多次光刻、腐蚀.介绍了制作旋转摆动式硅微机械陀螺敏感元件的工艺并对制作的敏感元件进行测试,测试结果表明“三明治“敏感元件四个敏感电容较计算得到的电容偏小.     

微机械陀螺ASIC接口电路设计

在分析微机械陀螺接口电路工作原理的基础上,采用中电集团第24研究所的3μm10 V P-well标准模拟CMOS工艺设计并制作了微机械陀螺ASIC接口电路.电路HSPICE仿真灵敏度为0.252 mV/aF.芯片面积为5.5 mm×4.4 mm,在此工艺流片并进行了芯片测试.结果表明,在10 V电源电压下,其功耗为49.3 mW,输出摆幅为4.85±3.1 V,输出节点的零点偏离为0.15 V.此芯片具有微陀螺驱动及信号检测功能,可实现与微陀螺敏感结构的双片集成.     

一种双自由度双级解耦微机械陀螺的特性分析

为了降低微机械陀螺的机械耦合和改善工作稳定性,提出了一种新颖的双自由度双级解耦微机械陀螺.建立并求解了该陀螺的动力学方程,并从理论上分析了陀螺的系统特性.利用数值求解工具MATLAB模拟了陀螺的幅频特性,结果表明当品质因子从50变化到1 000时,平坦区带的幅度和相位变化很小.理论和模拟均证实了该陀螺在选择适当的工作区带时,能获得较高的工作稳定性.     

虚拟陀螺技术研究

提出了一种基于阵列数据融合的虚拟陀螺技术来提高微机械陀螺的精度.其将多个同类型的陀螺组合形成阵列.采用Allan方差方法提取微机械陀螺的速率随机游走、角度随机游走等噪声,并利用阵列陀螺间同类噪声的相关性建立卡尔曼滤波器的系统噪声方差阵及量测噪声方差阵,设计实现了静态和动态两种最优滤波器对陀螺的输出进行最优估计.实验结果显示:三个偏置稳定性为35 deg/hr的微陀螺经静态、动态滤波后,所形成的虚拟陀螺偏置稳定性分别降至0.15 deg/hr和20deg/hr,表明该虚拟陀螺技术可有效提高微机械陀螺的精度.     

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.     

双定子静电微电机控制系统的信号检测研究

介绍了一种基于悬浮转子微陀螺的双定子轴向静电微电机控制系统的信号检测方法,它对实现悬浮转子旋转驱动的闭环控制尤为重要,其主要特点是采用互相关检测—锁定放大、DSP控制直接数字频率合成(DDS)产生正弦波,并通过实际正弦波发生电路和系统仿真验证其可行性,这些提供了解决微小电容检测在实际电路实现上的一些关键问题的办法,为实际电路参数选择提供重要参考。     

正交梁式隧道效应微机械陀螺仪的设计与仿真

针对传统的角速率陀螺仪存在的缺点与不足,根据电子隧道效应的特点,设计了一种新型基于隧道效应的微机械陀螺仪,运用计算机辅助软件ANSYS对其进行了建模和仿真.把电子隧道原理应用到微机械振动陀螺中对振动位移进行检测,结构简单,功耗低,抗干扰能力强,可靠性好,线性度高,具有很高的灵敏度,尤其在提高微机械振动陀螺的测量精度和灵敏度的方面显示其优势.     

硅微机械振动轮陀螺仪非线性动力分析􀀁

本文简单介绍了硅微机械振动轮陀螺仪的工作原理,并给出了该陀螺仪的非线性运动方程和线性化运动方程．针对该陀螺仪的运动方程,进行了数值仿真研究．根据数值仿真结果,还提出为了提高测量的线性度必须采用闭环控制．同时,还给出了闭环控制的方案．     

三轴微机械陀螺仪的结构设计与仿真

提出了一种适应国内加工条件的三轴微陀螺仪,依据三轴陀螺的结构和工作原理,利用ANSYS有限元仿真软件对三轴陀螺的设计进行了计算和仿真.在此基础上,通过调节结构参数实现各轴驱动模态与敏感模态固有频率的匹配以提高各轴的灵敏度.最后介绍了加工所采用的工艺.     

微机械电子隧穿陀螺仪研究初步研究􀀁

本文提出了根据微机械振动陀螺仪与电子隧道传感器相结合的设想,介绍了该型陀螺仪的工作原理,推导了陀螺仪的运动方程,从理论上阐述了该设想的可行性,仿真结果表明,该陀螺仪较电容检测陀螺仪,其灵敏度可以得到很大提高。     

微机械梳状驱动陀螺仪的理论分析

在导出静电驱动力表达式的基础上，论述微机械梳状驱动陀螺仪的工作原理和动力学方程，并说明了陀螺仪参数对测量灵敏度的影响．     

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...     

微机械陀螺温度系数的快速标定方法

微机械陀螺温度系数的标定通常是利用温控转台在每个温度点经过长时间的保温达到温度平衡后进行,费力费时.为了提高标定效率,提出了一种快速标定方法.使用温控转台产生正弦角速度激励,利用温控转台的同步脉冲触发MIMU采集数据,然后通过相关分析技术分离出陀螺的刻度因子、零偏以及相位延迟,分别建立刻度因子与温度,零偏与温度的模型.根据得到的相位延迟结果,采用曲线拟合方法还可以同时分离出零次项系数(即零偏)、一次项系数(即刻度因子)、二次项系数.实验对比显示:两种方法得出的刻度因子温度模型、零偏温度模型一致,从而验证了两种方法的正确性.提出的方法不需要在每个温度点长时间保温,比传统方法节省了大量时间,而且还能够快速标定出存在温度梯度情况下的温度系数.