一种三框架电容式硅微机械陀螺结构设计与仿真

为了解决传统双框架陀螺结构,驱动和检测采用同一质量块,以及加工等所引起的误差,提出了一种三框架的硅微机械陀螺结构.此结构由三个框架组成,其中外框架为驱动框架,在x轴方向驱动,内框架为检测框架,当在z轴方向有角速度输入时,在哥氏力的作用下,在y轴方向检测.中间框架可随外框架或内框架一起运动.这种结构保证了当受到静电力驱动时,检测框架完全静止,同时,当检测框架检测时,驱动框架完全静止,从结构本身上消除了机械耦合现象,同时兼顾了陀螺的灵敏度和带宽的要求.该陀螺结构简单,采用体硅加工工艺,可进行批量加工.文中描述了该陀螺的结构设计特点及仿真结果.     

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。     

自激驱动方式的振动式微机械陀螺全差动接口电路

以外框驱动内框检测(ISOD)的框架式振动陀螺为对象,采用CSMC 0.6μm标准CMOS工艺给出了驱动电路和检测电路的实现方式.仿真结果显示,同外加驱动方式相比,自激驱动方式能够让驱动电压工作于微机械陀螺的驱动谐振频率上,对温漂和时漂有很强的抑制作用,能够实现最大的检测分辨率,微机械陀螺性能显著提高.采用全差动工作方式相对于单端工作方式,可以有效的提高信噪比(SNR),并可以抑制共模噪声的干扰,并降低对高频载波的依赖度.在大气环境下,微机械陀螺的响应度为10 mV/deg,灵敏度为0.1°/S*Hz2.     

钟形振子式角速率陀螺驱动控制技术研究

钟形振子式角速率陀螺采用压电激励实现驱动模态振动。利用自抗扰控制算法对钟形振子式角速率陀螺的驱动模态进行了分析,通过构建扩张状态观测器,建立了钟形振子的自抗扰驱动控制模型,设计了钟形振子式角速率陀螺驱动模态的自抗扰控制器,使陀螺工作在调谐驱动。该设计能够补偿由加工制造误差以及环境变化等引起的陀螺参数变化,实现陀螺的固定频率谐振驱动,保持陀螺驱动轴输出信号幅值恒定。结合钟形振子式角速率陀螺实际参数,通过仿真和试验对该设计进行了验证,仿真和试验结果验证了该设计的有效性和可行性。     

微石英音叉陀螺等效阻抗的不稳定性研究

在实验中发现.微石英音叉陀螺在自激振荡驱动回路中的等效阻抗随驱动电压幅值的变化而变化,具有不稳定性。在阐述微石英音叉陀螺基本工作原理及其模拟驱动电路设计基本原则的基础上,研究了微石英音叉陀螺等效阻抗的不稳定性对其模拟驱动电路的影响,从一个侧面说明了现有实用的微石英音叉陀螺模拟驱动电路大多为方渡驱动电路的原因,以及模拟正弦波驱动电路的不可行性。     

电容式微陀螺自适应闭环驱动系统的研究

对微陀螺闭环驱动系统理论进行分析讨论,结合微陀螺结构特性和自适应锁相环特点,设计一种微陀螺自适应闭环驱动系统。利用数学工具Matlab分别建立Simulink传统的自动增益控制器（AGC）方式闭环驱动系统模型和自适应闭环驱动系统模型,对其进行系统性能对比分析。分析结果表明：微陀螺自适应闭环驱动系统建立时间比传统AGC方式闭环驱动系统建立时间缩短69％,系统频率偏差仅为1Hz,频率稳定性是传统闭环驱动系统的38．46％,系统抗噪声能力优于传统闭环驱动系统。因此,采用自适应闭环驱动系统可以提高微陀螺的检测灵敏度。     

圆壳体振弦式陀螺驱动设计与振动特性分析

针对微陀螺高精度和微型化的发展趋势,依据振弦式陀螺的工作原理建立了圆壳体振弦式陀螺驱动模型;应用Ansys软件分析了驱动中U形折叠梁结构参数以及内环驱动结构参数对驱动的影响,优化了驱动结构并建立了振动响应仿真分析.结果表明:圆壳体振弦式陀螺受驱动方向和驱动垂直方向的重力影响较大但变形小于1μm,优化后的U形折叠梁沿z方...     

基于LabVIEW的石英音叉陀螺闭环驱动的实现

分析了石英音叉陀螺驱动端幅频相频特性,设计了LabVIEW控制算法,使陀螺工作在最佳频率点;首先根据机电等效理论得出陀螺等效电路中串联支路电流等效于驱动端叉指振动速度,且串联支路电流在不同频率点处对频率的敏感度不同,然后通过对陀螺进行扫频得到了陀螺驱动端幅频相频特性,最后,基于在谐振频率点附近陀螺驱动端相频特性呈线性关系,设计了LabVIEW控制算法;根据该算法.设置相位分别为0°和～4°,40min内这两个谐振频率点处驱动反馈信号的标准差分别为1.4728e-005v、1.9229e-005v(1σ),因此,0相位处为较理想工作点,设置参考相位为各个谐振频率点的对应相位,通过比较可确定陀螺的最佳谐振频率点,提高陀螺驱动端的振动稳定性.     

高精度数字式MEMS陀螺仪驱动闭环控制系统设计

为提高微机械陀螺检测灵敏度,设计了一种数字式微机械陀螺驱动闭环控制系统,该系统利用数字锁相环来实现陀螺驱动谐振频率和相位的跟踪,同时利用数字自动增益控制模块实现驱动幅值的稳定控制.该控制系统先是在MATLAB/Simulink平台上进行仿真验证,之后在基于FPGA的验证平台上进行验证.实验结果表明在该数字系统的控制下陀螺驱动起振时间大约为0.6 s,驱动幅值相对稳定性小于10×106,陀螺零偏稳定性达到10.448 °/hr.     

振动式微机械陀螺驱动控制电路研究

本文分析了微机械陀螺检测灵敏度和驱动信号频率和幅度的关系,在此基础上提出了一种振动式微机械陀螺驱动控制环路方案并给出了相应的电路实现方法.它利用陀螺谐振时驱动信号和驱动模态位移信号具有900相位差这一特性,采用锁相方式完成驱动轴的稳频控制,恒幅控制环节则采用半波整流电路及后续的直流电压调整电路实现,从而完成了对驱动轴的锁相和恒幅双环路控制,保证了陀螺驱动轴的谐振和振幅恒定,有效的提高了陀螺的灵敏度和标度因子的稳定性.最后针对音叉电容式微机械陀螺进行的开闭环对比实验证明,添加控制环路的检测电路零偏稳定性提高了10倍左右.     

硅微型机械振动陀螺的制备

详细介绍了双框架结构的硅微型机械振动陀螺的工作原理及工艺，设计并试制出了挠性轴厚度为０．８μｍ的三种不同尺寸的双框架结构的硅微型机械振动陀螺的样品，其机械结构的主要尺寸误差可控制在１０％以内。     

硅微陀螺模态频率温度特性的研究

硅微机械陀螺的零位输出受温度影响较大,为提高精度,对其进行温度误差补偿很有必要,而陀螺表头真空封装后内部温度难以直接测量.通过研究模态频率与温度之间的关系,发现驱动轴谐振频率与温度之间存在很好的线性相关性,同时具有很好的温度重复性.由于谐振频率的精度很高,所以用谐振频率测量温度会有很好的分辨率.因此,可以利用驱动模态的谐振频率来标定陀螺表头内部的温度,为下一步的温度补偿提供新的方法.     

基于驱动频率的硅微陀螺零偏补偿方法研究

针对硅微陀螺的零偏受环境温度影响比较敏感的问题,研究了一种新的温度补偿方案。通过研究驱动频率的温度特性,发现驱动频率与温度之间存在很好的线性关系,经过适当的标定,驱动频率可以作为内置温度传感器取代传统的温度传感器,解决了传统传感器温度不准确和测量滞后的问题。建立了驱动频率与零偏的模型,对硅微陀螺的零偏进行了温度补偿验证。验证试验表明,在-40℃～60℃全温区范围内,零偏温度灵敏度由0.053°/(s.℃)提高到0.00244°/(s.℃),有效地改善了全温区的零偏温度系数。     

MEMS multi-vibrating ring gyroscope for space applications

Microsystem Technologies - This paper presents the design of a novel multi-ring vibratory gyroscope. The design incorporates two sets of rings, inner and outer, separated by a set of perforated...     

Dual-axis tuning fork vibratory gyroscope with anti-phase mode vibration mechanism

In this paper, a novel micro-machined dual-axis tuning fork gyroscope (DTFG) with an anti-phase mechanism is proposed. The proposed anti-phase mechanism could effectively minimize the undesired lateral motion and ensure the anti-phase resonant mode of the two vibrating frames of DTFG. The gyroscope is fabricated by the high-aspect-ratio silicon-on-insulation bulk micromachining process with a device layer thickness of 45 μm. Furthermore, a CMOS drive/readout ASIC Chip, which is fabricated by a 0.25 μm 1P5M standard CMOS process, is integrated with the fabricated DTFG by direct wire-bonding. The experimental characterizations of DTFG demonstrate that the rate sensitivities of z-axis and x-axis sense modes are 2.2132 mV/DPS and 1.8477 mV/DPS respectively and the associated R²-linearity are 0.9995 and 0.9996.     

Adaptive tracking control of an MEMS gyroscope with H-infinity performance

Microelectromechanical systems (MEMSs) pose unique measurement and control problems compared with conventional ones because of their small size,low cost,and low power consumption.The vibrating gyroscope is one of those MEMS devices that have significant potential in many industry applications.When the MEMS gyroscope system is considered simultaneously with the coupling terms,the exogenous disturbances and the parameter variations,the controller design of this system becomes very challenging.This paper investigates the primary control problem of a perturbed vibrating MEMS gyroscope.A nonlinear robust adaptive control scheme is proposed for the drive axis of a vibrating MEMS gyroscope.By combining the dynamic surface control (DSC) method with the H-infinity disturbance attenuation technique,a simpler systematic design procedure is developed.The derived H-infinity controller has a simplified structure,and it can drive the drive axis to resonance,regulate the output amplitude of the drive axis to a desired value,and attenuate the generalized disturbances.The features of the derived controller are discussed and illustrated by the simulation of a closed-loop system.The analysis and simulation show that the obtained controller possesses good adaptability and robustness to system uncertainties.     

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.     

基于共振隧穿二极管的微机械陀螺设计

介绍了一种基于介观压阻效应的新型电磁式微机械陀螺,并对陀螺进行了结构设计。该结构采用电磁驱动方式,实现了工作电压小、驱动力大、行程大的要求;采用共振隧穿二极管(RTD)所具有的介观压阻效应检测方式,本质上提高了陀螺的灵敏度。用ANSYS软件对结构进行了模态分析和路径分析,确定了结构的固有频率和RTD放置位置。结合目前工艺要求,对该陀螺进行了工艺设计并实现了结构加工。     

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。