一个改进型的双框架硅微机械陀螺仪􀀁

本文分析了双框架式硅微机械陀螺仪的作用机理,提出了改进双框架式硅微机械陀螺仪性能的措施.仿真结果表明,通过改进,陀螺仪的灵敏度和信噪比都可以大大提高.     

双框架式硅微陀螺仪正交信号分析

推导了内驱动,外检测双框架式硅微陀螺仪驱动和检测模态的运动方程.在此基础上,利用弹性主轴原理,推导了内外框弹性主轴偏转产生正交信号与敏感信号的比值表达式.同时还推导了外驱动,内检测双框架式硅微陀螺仪在内外框弹性主轴偏转产生正交信号与敏感信号的比值.分析表明,在相同情况下,前者的正交信号要远大于后者.最后测定了这两种框架式硅微陀螺仪的正交信号,大小分别为2 380.1(°)/s和376.3(°)/s,印证了理论的正确性.     

中国微米纳米-基于神经网络的多尺度多参数硅微陀螺仪研究

由于硅微陀螺仪工艺加工导致漂移误差进而影响INS测量精度,所以硅微陀螺仪的漂移估计成为研究的重点。硅微陀螺仪精度受多种因素的影响,因此很难对非平稳非线性输出硅微陀建立准确的误差模型。提出一种的基于小波神经网络的多尺度和多参数非线性估计改进硅微陀螺仪的漂移估计。实验结果表明,在通过本文介绍基于神经网络的多尺度多参数校准后硅微陀螺仪精度从1°/s到0.05°/s。     

框架式垂直陀螺仪误差特性研究

在分析框架式垂直陀螺仪结构特性的基础上,推导出框架式垂直陀螺仪在不同状态下的测量误差模型,总结其测量误差特性,找出误差原因并为提高测量精度提出有效的解决方案.通过对误差模型的仿真计算,并将仿真结果与实际试验测量结果进行比较,结果表明:该框架式垂直陀螺仪误差模型符合实际测量特性,能够为工程应用提供有力的理论依据.     

基于自适应控制的硅微振动陀螺仪驱动电路研究

硅微振动陀螺仪驱动模态的稳定性对其性能及可靠性有着重要作用.自激驱动能够使单个驱动模态稳定谐振在固有频率上,但对于双驱动模态,由于微机械加工误差的影响,固有频率存在偏差,很难实现频率匹配.研究了基于自适应控制的硅微振动陀螺仪的驱动电路设计,通过固定频率信号驱动和自适应调谐实现双驱动模态的一致性.理论仿真和实验结果表明该设计切实可行.     

一种全新的硅微阵列陀螺仪

介绍了一种全新的硅微阵列陀螺仪的结构设计、模态仿真、电路闭环控制、数据融合方法和相关的的实验结果。基于热弹性阻尼理论的数值仿真,利用结构解耦的方法设计了硅微阵列陀螺仪的四质量块结构。利用ANSYS软件对硅微阵列陀螺仪的驱动模态和检测模态进行了仿真,仿真结果表明：硅微阵列陀螺仪共有四种不同的工作模态。根据静电力反馈原理,设计了基于数字锁相控制和数字闭环控制方法的控制电路。电路测试结构表明硅微阵列陀螺仪驱动模态的振动幅值的相对稳定性可以达到9×10-5。分析了硅微阵列陀螺仪的随机漂移特性,建立了漂移误差模型,并设计了卡尔曼滤波器以获取硅微阵列陀螺仪的随机漂移的最优估计。利用多传感器信息融合算法,硅微阵列陀螺仪的零偏稳定性可以提高10倍。     

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.     

基于集成温度传感器的硅微陀螺仪数字化温度补偿研究

提出了一种基于集成温度传感器的硅微陀螺仪数字化温度补偿方法。首先,介绍了集成温度传感器的硅微陀螺仪基本结构原理,分析了硅微陀螺仪动力学方程以及温度变化对硅微陀螺仪谐振频率、品质因数、标度因数和零偏的影响。然后,设计了基于FPGA的硅微陀螺仪数字化补偿电路。最后,经过温度特性实验得到标度因数和零偏随温度变化曲线,建立了温度补偿模型,提出分段温度补偿方法。经过温度补偿后,标度因数和零偏的温度系数分别由316.66×10-6/℃和366.22°/(h·℃)减小为69.67×10-6/℃和115.25°/(h·℃),证明了补偿方法的正确性和可行性。     

硅微阵列陀螺仪的仿真、设计与测试

为了提高硅微机械陀螺仪的精度和工作可靠性,提出了一种新的硅微阵列陀螺仪结构设计方案。该陀螺仪由4个质量块构成,采用半解耦结构设计,结构完全对称,驱动模态和检测模态的频率匹配性好。分析了硅微阵列陀螺仪的结构和工作原理,并利用ANSYS有限元软件进行了结构仿真,通过调节结构参数实现了各驱动模态与敏感模态固有频率的匹配。对阵列陀螺仪样品进行了测试,实验测试结果表明,驱动模态存在3个振型,同频反相振动的幅值最大,与仿真结果一致。     

一种具有广泛适应性的微机械加工方法研究

研究了一种具有广泛适应性的微机械制造方法,该方法可用于制备各种不同的器件,包括硅微陀螺仪、加速度计、剪切应力传感器以及光开关等.利用该方法,制备了硅微陀螺仪,并给出了所制备的硅微陀螺仪的性能测试结果,同时分析了利用该制备方法制备各种不同器件时,工艺流程对器件性能的影响,重点讨论了硅-玻璃阳极键合、减薄工艺以及深刻蚀所形成的侧壁质量,包括侧壁垂直度、侧壁杂质等因素对器件性能的影响.     

振动式微机械隧道陀螺仪的制备工艺

振动梁式微机械隧道陀螺仪是一种以悬臂梁作为换能构件,以电子隧道效应为输出敏感方式的高精度和高灵敏的角振动传感器,解决了传统机械陀螺仪因尺寸减小而导致的灵敏度降低的缺点。结合微机械隧道陀螺仪的尺寸特点:硅尖与下电极的距离为1μm,齿厚和齿间距之间的距离为4μm,梁的厚度为50μm,提出硅正面刻蚀—玻璃上电极制作—硅玻键合—硅背面减薄—硅背面刻蚀的DDSOG(DeepDrySiliconOnGlass)工艺方案,成功实现了整个器件的工艺制备。本文就DDSOG工艺中的关键工艺进行了一一论述,该工艺不仅能用于隧道陀螺仪的制备,同时也可以制作其它高深宽比传感器或执行器。     

硅微振动陀螺仪驱动器自激驱动研究

为了提高硅微机械陀螺仪的检测精度,稳定驱动振动速度的幅度和频率,采用了硅微机械陀螺仪自激驱动方式.该方式能够使驱动振动自动稳定在陀螺仪驱动模态的谐振频率上.同时,采用自动增益控制(AGC)保持恒定的驱动振动幅度.根据自激驱动电路原理和现有的陀螺样品,建立了陀螺仪驱动动力学方程的等效电路模型.设计、制作了自激驱动电路,仿真和实验结果表明该方法切实可行.     

对称解耦硅微陀螺仪结构设计研究

硅微机械陀螺仪的驱动模态和敏感模态间的交叉耦合制约了其性能的提高。设计了一种对称解耦硅微机械陀螺仪,它的驱动机构与检测机构都做线性滑膜阻尼振动且完全解耦,使得驱动和敏感模态之间的耦合小、结构振动平稳性好、品质因数高。该微陀螺仪的驱动与检测支承梁完全相同且对称分布,使得驱动模态和敏感模态的谐振频率受加工误差和温度变化的影响近乎相同,所以频率匹配性好,结构的灵敏度大大提高。实验测试结果表明对称硅微机械陀螺仪的耦合误差得到了有效减小,并且它的驱动和检测谐振频率仅相差6Hz,其品质因数在空气条件下分别为145和117,检测模态的品质因数与采用压膜阻尼振动方式进行检测的硅微机械陀螺仪相比有了显著提高。     

硅微阵列陀螺仪闭环驱动控制技术研究

为了进一步提高硅微阵列陀螺仪驱动模态的控制精度与稳定性,深入分析了硅微阵列陀螺仪的结构设计和闭环驱动控制技术。基于硅微阵列陀螺仪闭环驱动控制的特点,以现场可编程门阵列(FPGA)为核心控制平台,实现一种基于自激振荡原理的数字化闭环驱动电路。分析并建立了自激振荡与幅度控制的基本模型,基于Simulink实现了闭环自激驱动的仿真。实验结果表明,常温下驱动幅度控制精度达到9×10~(-5),并能有效跟踪驱动模态谐振频率。     

硅微机械振动陀螺的静电驱动

详细分析了双框架结构的硅微机械振动陀螺的驱动技术。结果说明：为了获得陀螺的最佳灵敏度，陀螺外框架上外加驱动电压的人小和频率的选择受到陀螺内外框架固有频率的约束。     

复形法在永磁式力矩器设计中的应用

采用复形法对测量角位移及角速度用的挠性陀螺仪的永磁式力矩器进行了优化设计，有效地提高了该陀螺仪的跟踪速度。     

硅微机械陀螺仪结构中的电容分析

为减小杂散电容提高信噪比,分析了硅微机械陀螺仪结构中的电容.并以某硅微机械陀螺仪的理论模型为对象,建立了陀螺仪结构中的电容模型.对每种电容进行了理论分析,并借助电路仿真软件对模型进行了仿真,分析了杂散电容对输出的影响,结果表明布线与活动结构间的电容对输出有很大的影响.提出了采用新工艺和合理的布线方法减小与活动结构间的电容,从而提高信噪比.     

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．     

混合式陀螺仪的闭环检测技术研究

研究了一种新型的混合式陀螺仪,它既具有实现传统动力调谐陀螺仪较高精度的潜力,又具有硅微陀螺仪体积小、价格低等优点.混合式陀螺仪以电容极板实现差分电容检测和力矩反馈的技术替代传统动力调谐陀螺仪的信号器及力矩器.以再平衡回路技术为基础,建立了混合式陀螺仪闭环检测系统.与开环检测相比,闭环检测系统具有输出信号线性度较好、检测带宽较宽的优点.进行了系统开环和闭环情况下的频率特性仿真.对混合式陀螺仪进行了初步实验,结果验证了方案的可行性.     

高压驱动的三波腹多环盘式硅微陀螺仪

设计和研究了一种带有高压驱动电路的多环盘式硅微陀螺仪（DRG）。该陀螺仪具有MEMS嵌套环结构,工作在三波腹(n=3)的振动模态下,主振型和从振型之间具有更小的频率裂解。系统采用双闭环测控电路驱动,结构简单,具有良好的稳定性和较大的带宽。其中刚度调谐和正交误差校正所需要的高压直流电由小型化的Boost升压电路提供。样机测试结果表明闭环Boost升压电路精度高,对陀螺仪的零偏不稳定性影响小。陀螺仪具有高品质因数（Q=36503）、低非线性度（314ppm）、低角度随机游走（0.1664°/√h）以及低零偏不稳定性（2.0229°/h）。