高性能音叉结构MEMS陀螺的抗冲击设计

MEMS音叉陀螺存在很多振动模态,分析发现,其在驱动方向上受到冲击时的振动形式与工作在驱动模态的振动形式是不同的。通过改进悬挂梁的尺寸结构,提高了冲击振动模态谐振频率以增强陀螺的抗冲击性,同时保持驱动模态谐振频率不超过20 kHz,保证了陀螺的性能。采用SOG工艺制备了所设计的MEMS音叉陀螺,经过测试,该陀螺驱动模态的品质因数为5 734,检测模态的品质因数超过了430 000,具备实现高精度角速度检测的能力。在重锤上对制备的陀螺进行了抗冲击测试,测试表明该陀螺在驱动方向上的抗冲击性能达到了23 000 g,能够满足惯性导航对器件的苛刻要求。     

一种解耦硅MEMS陀螺结构优化及性能仿真

以高机械灵敏度为设计目标,对一种解耦硅MEMS陀螺进行了结构优化,并利用有限元分析软件ANSYS对该MEMS陀螺进行了模态、应力、位移、抗过载及谐响应仿真分析,确定并验证了高灵敏度MEMS陀螺的结构优化原则。优化后的硅MEMS陀螺驱动和检测模态谐振频率分别为3700与3718Hz,机械灵敏度可达0.95nm/(°/s),能够承受500g的冲击载荷,并且能够实现驱动模态和检测模态解耦。     

基于杠杆的微机械陀螺结构设计与仿真

提出了一种基于机械杠杆放大机构的微机械陀螺设计方案,用于提高微机械陀螺的灵敏度和精度。该杠杆放大机构使用在陀螺的驱动模态中,通过杠杆将驱动梳齿位移放大后传递到质量块上,在陀螺驱动模态谐振频率一定的情况下增大了质量块在驱动方向的运动速度,提高了陀螺敏感模态的科氏力及陀螺表头的机械灵敏度,从而提高陀螺系统的灵敏度和精度。在Coventor-ware中对陀螺结构进行了系统级仿真,仿真结果表明在杠杆动力臂和阻力臂长度之比为1∶5.2时,陀螺机械灵敏度放大了5.9倍。因此,通过在微机械陀螺驱动模态中使用杠杆结构可以提高其灵敏度和精度。     

一种新型解耦硅微机械陀螺的设计

提出了一种新型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与驱动电极相同的梳齿两种结构检测感应模态的振动,每种结构设计两组独立的检测电极,分别采用差分方式进行检测,有效提高了陀螺的灵敏度。该陀螺结构的驱动模态和感应模态振动相互解耦,振动特性相似,固有频率、阻尼系数和品质因数等参数接近。采用有限元法分析了该结构的参数和特性,介绍了结构的制作流程。该结构谐振频率高、阻尼系数小,可达到较高的测量分辨率和准确率。     

一种新型解耦硅微机械陀螺的设计

提出了一种新型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与驱动电极相同的梳齿两种结构检测感应模态的振动,每种结构设计两组独立的检测电极,分别采用差分方式进行检测,有效提高了陀螺的灵敏度。该陀螺结构的驱动模态和感应模态振动相互解耦,振动特性相似,固有频率、阻尼系数和品质因数等参数接近。采用有限元法分析了该结构的参数和特性,介绍了结构的制作流程。该结构谐振频率高、阻尼系数小,可达到较高的测量分辨率和准确率。     

结构解耦四质量块微陀螺仪的设计与制备

提出了一种新型的结构解耦四质量块陀螺仪的结构设计以及制备方法。采用梳齿电极的设计和推挽法消除了静电驱动力的二倍频分量,并对折叠梁结构进行仿真分析和优化,有效地实现了对驱动和检测模态的结构解耦。针对陀螺仪的结构,设计了可行的工艺方案并进行实际加工,采用SOI和阳极键合工艺,最终制作出四质量块陀螺仪样品。仿真得到驱动和检测模态的谐振频率差为7Hz,表明其结构的高度对称性。谐响应分析下陀螺仪最大位移为1 290nm,驱动框架最大位移差为60.75nm,检测框架最大位移为305.24nm,取得了理想的解耦效果。     

MEMS光栅陀螺制造与测试

根据MEMS光栅陀螺工作原理,对陀螺结构仿真,并进行了晶圆级陀螺制造.在ANSYS中建立陀螺结构模型,并进行仿真分析.仿真结果显示,其驱动模态为7 287 Hz,检测模态为7 288 Hz,频差为1 Hz,表明结构有高灵敏度.通过工艺设计,采用溅射、湿法腐蚀、深反应离子刻蚀、阳极键合等工艺成功制造了 MEMS光栅陀螺....     

基于阳极键合的硅微圆盘多环谐振陀螺的设计与制作

提出了一种新型的基于阳极键合的硅微圆盘多环谐振陀螺的结构设计及其制作方法.该种陀螺采用MEMS工艺制作而成,基底材料为肖特BF33玻璃,电极和谐振器均由单晶硅片加工而成,肖特BF33玻璃与单晶硅片通过阳极键合工艺键合在一起.介绍了该种陀螺的基本结构、工作原理,并进行了仿真分析,得出该种陀螺具有较小的频率分裂,表现出陀螺效应.最后,通过MEMS工艺进行了实际加工,得到了该种陀螺的实验样品.     

MEMS半球谐振陀螺的角速度积分及其FPGA设计

微电子机械系统(MEMS)半球谐振陀螺是MEMS微陀螺领域的研究热点,能工作在角速度积分模式下,具有体积小、质量轻、功耗低、成本低、对称性高、Q值高,以及精度高等优点.文章给出了一种微型半球谐振陀螺的结构,研究了其工作原理以及检测方法,设计了一种数字式MEMS半球谐振陀螺仪的角速度积分工作模式方案及其FPGA实现方法,以完成目前MEMS半球谐振陀螺的角速度积分模式的控制与检测工作.     

基于谐振原理的RF MEMS滤波器的研制

采用与IC工艺兼容的硅表面MEMS加工技术,以碳化硅材料作为结构材料,研制出一种新型的基于谐振原理工作的RF MEMS滤波器。详细介绍了器件的工作原理、制备方法、测试技术和结果,并对测试结果做出分析。该RF MEMS滤波器由弹性耦合梁连接两个结构尺寸和谐振频率完全相同的MEMS双端固支梁谐振器构成,MEMS谐振器的结构决定了滤波器的中心频率,弹性耦合梁的刚度决定了滤波器的带宽。在大气环境下测试器件的频响特性,得到中心工作频率为41.5MHz,带宽为3.5MHz,品质因数Q为11.8。     

双框架解耦微陀螺原理样机研制

为了把驱动工作模态和检测工作模态有效隔离,以减小模态间的互相干扰,设计了一种双框架解耦微机械陀螺。通过采用可工程化的鲁棒优化结构设计和工艺补偿的制造工艺,实现了工艺误差范围内的稳健设计。这种内外框架结构的微陀螺设计,包括自激闭环驱动电路和开环检测电路,对微陀螺进行测试,得到微陀螺驱动模态品质因素〉2000,检测模态品质因素〉800,量程为2400°/s,线性度〈0.3%,灵敏度为1°/s。     

Fast finite-time tracking control for a 3-DOF cable-driven parallel robot by adding a power integrator✰

Cable-driven parallel robots (CDPRs) usually suffer from kinematic and dynamic uncertainties, which makes it difficult for traditional trajectory tracking control algorithms to achieve high precision, fast response time, and robustness. In this study, we present a novel fast finite-time tracking control (FFTTC) algorithm which solves this problem to a large extent. Specifically, we firstly used a function of exponential errors with fractional power combined with API technique, to deal with the key difficulty of the convergence rate degradation which exists in traditional finite-time tracking control (TFTTC) when system states are far from the equilibrium point. Simultaneously, the API technique was used to avoid the problem of the explosion of complexity. To facilitate algorithm evaluation, the finite-time stability of the close system consisting of the proposed FFTTC algorithm and the CDPRs was proved mathematically and the settling time was estimated correspondingly. The trajectory tracking experiments were performed on a 3-DOF CDPR driven by 4 cables. Simulation and experimental results show that the proposed FFTTC algorithm can cope with external disturbances, variable load, and inaccurate model parameters. The comparison experiment indicates that the proposed FFTTC algorithm is superior to the model predictive control and TFTTC algorithms in precision, response speed and robustness.     

半球谐振子不平衡力的推导及与驻波关系研究

半球谐振陀螺作为一种高精度的陀螺仪,具有良好的学术研究价值及重要的应用价值,是国内外研究的热点。半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,是一种工作中做四波腹振动的半球壳结构。由于在实际加工过程中存在误差,因此实际的谐振子无法达到理想的轴对称结构,这将导致谐振子在做四波腹振动时产生其他振动,从而对陀螺的精度产生影响。其主要原因是谐振子做四波腹振动时,非轴对称结构将产生非对称的惯性力。为此,该文对谐振子的不平衡力进行了理论推导,给出了半球谐振陀螺不平衡力的理论公式,并通过数值计算给出不平衡力与驻波方位间定量的关系,为分析不平衡质量对陀螺精度的影响提供参考。     

Position control of a pneumatic surgical robot using PSO based 2-DOF H∞ loop shaping structured controller

This research proposed novel development of a 2-DOF H_∞ loop shaping structured controller based on Particle Swarm Optimization (PSO) that considers the closed-loop dynamic response, robustness, stability, and minimal control input in design criteria to control position of 3-DOF pneumatic surgical robot. Unlike other conventional H_∞ controllers, the proposed controller offers robustness, high performance, but cost-effective simple structure, which has recently received attention from several researchers and preferred in industrial applications. The proposed technique is simulated and experimented on a nonlinear system of a pneumatic 3-DOF surgical robot for a Minimally Invasive Surgery (MIS). Mechanical design, dynamics modeling, and system identification of the surgical robot are conducted. The simulation results verify that the proposed controller can gain a better H_∞ sub-optimal solution than the conventional 2-DOF H_∞ loop shaping controller. Also, the experiments confirm that the proposed controller is capable to tolerate the perturbed conditions and can be alternative to the conventional controllers in pneumatic controlled system     

改进高阶Vanderpol振子在微弱信号检测中的应用

在高精度的微弱光电信号检测系统中,存在信号被强噪声湮没的情况.针对这一问题,提出了一种基于改进高阶Vanderpol振子的微弱正弦信号定量检测方法.该方法利用改进高阶广义Vanderpol系统的高灵敏度与强抗噪性的特点提高了微弱信号检测的可靠性,再结合Lyapunov指数定量检测和90.移相补偿来实现混沌系统状态的量化判断和待测信号参数的高精度提取.仿真结果表明改进的Vanderpol振子比传统Vanderpol振子运算速度更快.与传统Duffing振子相比,在5％幅值检测误差范围内,改进的高阶广义Vanderpol系统可多获得37 dB的信噪比增益和60 dB的检测门限增益;与基于相轨迹突变定性检测待测信号幅相法相比,90°移相补偿幅相定量检测法在信噪比降低时其检测相对误差仍可控制在2％以内.改进算法实现了微弱正弦信号的高灵敏度和高精度的幅相检测.     

高精度环形谐振腔的结构设计及优化

环形谐振器作为谐振式光学陀螺的核心敏感部件,其精细度的大小直接影响光纤陀螺的灵敏度,所以研究光纤环形谐振器的特性及其精细度是优化陀螺设计和制造及提高性能的关键.通过对比分析不同耦合器结构的耦合原理,系统分析了在一定激光器线宽的基础上,谐振式光学陀螺系统灵敏度和谐振腔光路中各参数的间的关系及耦合器耦合系数与各损耗参数间的关系.设计优化R-MOG系统的主要参数.最终在同时考虑到谐振腔的高精细度和高Q值得前提下,得到当腔长尺寸为21.4 cm时,精细度达170,Q值为3.34107,此时,灵敏度为0.48 ()/h,并且,通过建立一个R-MOG闭环实验系统,对系统双路转动的闭环响应进行了测试,这为陀螺系统的构建提供了理论和实验基础.     

非均匀采样条件下光纤陀螺微小角振动信号检测技术

航天器在轨运行过程中,由于内部存在多种活动部件,会使结构体产生微小角振动,微小角振动呈现振幅较小、频率较高的特点,微小角振动会造成光学载荷成像质量的下降。光纤陀螺从组成原理上具有宽频带和高灵敏度的特点,能够输出采样周期内的角度增量,可以作为微小角振动测量部件。但是,基于航天器整体时序的综合考虑,无法对光纤陀螺进行均匀采样,提出了非均匀采样条件下的频谱分析方法,将经过非均匀采样得到的整周期时间序列进行傅里叶变换,得到原始信号的幅值和频率,进而实现微小角振动的高精度检测。通过数字仿真和六自由度微振动台试验验证了上述方法的可行性,检测精度优于0.04。