双端固定音叉式硅微机械谐振器的研究与应用

提出了一种使用双端固定音叉的新型结构的谐振式硅微机械加速度计。它用硅梁侧壁形成的静电电容进行激振，并通过在音叉臂上制作的压敏电阻检测振动。该加速度计输出的是频率信号，具有精度高、抗干扰能力强的优点。探讨了传感器的工作原理，并用有限元方法进行了仿真模拟，结果显示传感器的灵敏度约为2Hz/g。     

双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪

硅MEMS陀螺仪成本低、体积小、功耗低,是微小型无人系统及制导武器的核心惯性器件,本文提出一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪,采用两块反相、同频、等幅振动质量块作为敏感单元,通过测量谐振器谐振频率变化来计算转速的大小,通过动力学分析,推导了哥氏力与输入转速的传递函数,用瑞利－里茨法求得在轴向力作用下梁的固有频率方程,利用马蒂厄方程分析了双端音叉谐振器的运动数学表达式及陀螺仪标度因数方程。最后利用ANSYS有限元软件对谐振器进行了稳定性及有预载荷的模态分析,验证了理论推导的正确性。该陀螺仪通过端部支撑结构将两质量块的振动能量相互抵消,减少了振动噪声及能量损耗,利用杠杆反相差分效应,消除了外界加速度引起的误差。     

参数化方法在微机械谐振器设计中的应用

从理论上分析了微机械音叉谐振器的机械力学特性,给出了活动梳齿的工作模态频率解析解,提供谐振器结构设计的依据.利用基于MAST语言实现的MEMS宏模块建立微谐振器系统级通用参数化仿真模型,为验证外围电路提供了基础.事例仿真结果与理论模态分析相一致,验证了模型的有效性.通过减少梁固接端弹性系数、合理安排激励电极能抑制一阶模态扰动.工作模态谐振频率对结构参数的敏感性分析为优化谐振器性能提供基础,使工作模态远离其它高阶模态.敏感性仿真表明在横向振动微谐振器中,工作模态谐振频率随梁长的增加而减小;随梁宽的增加而增大;结构层厚度对横向振动频率没有影响;梳齿部分所有参数的变化造成频率的相反变化.     

硅微机械音叉式谐振器

应用体硅微机械加工技术,制作了一种双端固定音叉式谐振器。它在音叉的两个臂上连接了梳齿电容结构,用来驱动音叉臂在硅片平面内侧向、反相振动,同时检测音叉的振动频率。当驱动力的频率等于音叉的固有频率时,音叉产生谐振。此时,检测梳齿电容输出的电流最大。用有限元方法对谐振器进行了模态分析和结构优化。音叉臂长800μm,宽5μm,梳齿电容齿长25μm,结构层厚度为80μm,在30V交流电压激励下,测得其谐振频率为25kHz。当音叉受到轴向力的作用时,音叉的固有频率会发生变化,根据这一原理,设计了谐振式加速度计。用有限元分析软件对加速度计工作情况仿真,估算其灵敏度约为2Hz/g。这种音叉式谐振器结构和工艺简单,性能可靠,成本较低,对于进一步研究微机电系统谐振器件具有重要意义。     

双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪的理论计算及仿真

提出了一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪.采用两块反相、同频、等幅振动质量块作为敏感单元,通过测量谐振器谐振频率变化来计算转速的大小.推导了哥氏力与输人转速的传递函数,用瑞利-里茨法求得在轴向力作用下梁的固有频率方程,利用马蒂厄方程分析了双端音叉谐振器的运动数学表达式及陀螺仪标度因数方程.ANSYS分析表明:谐振器固有谐振频率为4.043 1×106Hz;在谐振器端部施加1×105Pa预载荷后,谐振频率偏移量为20.7 kHz.仿真结果验证了理论推导的正确性.该陀螺仪减少了振动噪声及能量损耗,消除了外界共模加速度引起的误差.     

硅微机械谐振压力传感器技术发展

硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一,是航空航天、工业过程控制和其他精密测量领域压力测试的最佳选择。系统阐述30年来国内外硅微机械谐振压力传感器技术的研究成果,简单介绍硅微机械谐振压力传感器的分类及工作原理,针对压力敏感膜片与谐振器复合结构和振动膜结构两种主要的芯体结构形式,详细论述硅微机械谐振压力传感器的研究历史、主要研究机构、国内外发展现状以及最新的研究成果,重点根据不同激励与检测方式对各种硅微机械谐振压力传感器的芯体结构进行深入分析比较。在此基础上,总结归纳不同芯体结构及其激励与检测方式的特点,并对硅微机械谐振压力传感器的未来发展趋势进行展望。     

基于腔结构的射频微机械谐振元件的设计

对圆柱形复合腔结构微机械谐振元件进行了设计研究,提出了一种基于柱形腔结构的微机械复合谐振元件的设计方法,并对其结构及特性进行了研究.建立了复合腔结构的电磁场数学方程,腔体基于体微机械微细加工技术实现工艺设计,最后对该元件进行了仿真分析.TM010模式下,谐振腔谐振频率为24.313299GHz,Q值为3529.707890,考虑微带耦合时仿真出复合谐振元件的最佳谐振频率为24.75GHz.仿真实验结果和理论值的平均误差不到1%,两者吻合得很好,说明了该设计的可行性.进一步改变结构参数,可获取不同谐振频率的器件,且可在腔体中填充高介电常数介质来减小器件的谐振频率,克服了以往使用腔体结构在低频段时体积过大等问题.     

硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。     

典型三维机械结构拓扑优化设计

为了提高拥有数万个单元以上的三维机械结构拓扑优化的计算效率, 基于渐进结构优化方法, 并结合结构位移计算的迭代方法, 建立一套三维机械结构拓扑优化的求解策略和算法.然后, 构建分别用于结构分析和结构优化迭代的两套数据流和它们间的映射方法, 研究和开发三维机械结构拓扑优化设计软件.完成几个典型和复杂的三维机械结构的仿真优化设计.设计结果表明,发展的方法和软件是正确和有效的, 且具有广泛的工程应用前景.     

双质量硅微陀螺仪驱动模态测试

考虑双线振动双质量硅微陀螺仪环境适应性强且两个质量块的差动输出能够有效消除共模干扰的影响,提出了一种新型双质量陀螺仪。依据双质量硅微陀螺的结构和工作原理,对该陀螺的驱动模态进行了理论分析,并提出了简化的动力学方程。利用ANSYS有限元软件对陀螺的驱动模态进行了数值仿真,并对陀螺仪样品进行了电路测试。通过几种不同的加载方式,分别得到了相应的仿真和测试的幅频曲线,结果表明,仿真和实验结果与理论分析完全一致,且双边驱动方式要优于单边驱动方式,反向驱动方式可以使陀螺仪在工作模态运动。仿真和实验结果验证了双质量硅微陀螺的驱动模态特性。     

硅微陀螺仪接口电路分析

建立了某硅微陀螺仪的等效电路，分析了寄生电容对接口电路的影响。结果表明，合理的接口电路不仅消除了大部分寄生电容的影响，而且减小了信号的衰减幅度，抑制了大部分的耦合信号和噪声信号。最后对接口电路进行了改进，保留了以上的优点，减小了载波信号的变化和电源变化对分辨率的影响，提高了整个电路的分辨率。     

高真空环境下硅微机械陀螺品质因数的温度特性

分析了温度在高真空环境下对硅微机械陀螺品质因数的影响机理。阐述了热弹性阻尼的复频率模型和硅材料的温度特性,建立了品质因数温度特性理论模型,并对理论模型进行了仿真验证和实验验证。理论计算得到常温下品质因数的温度系数为-9.76×10-3/℃。利用ANSYS对品质因数的温度系数进行仿真分析,得到常温下品质因数温度系数的仿真值为-9.96×10-3/℃。对硅微机械陀螺进行品质因数温度实验,得到常温下品质因数的温度系数为-9.02×10-3/℃,与理论计算结果相差8.20%。实验结果表明:高真空环境下建立陀螺品质因数温度特性的理论模型可为陀螺的温度误差补偿提供理论依据,为陀螺的优化设计提供实际指导。     

微机械陀螺检测接口建模及前置放大器优化

为了进一步提高微机械陀螺的极限分辨率,建立了基于SOI工艺的微机械陀螺的检测接口模型,并设计了与之相匹配的前置接口放大器.首先,根据陀螺表头的实际结构建立了微机械陀螺表头的RC集总参数模型和微机械陀螺检测接口的噪声模型,分析了检测接口主导噪声源及提高极限分辨率的措施.然后,在跨阻式前置放大器的基础上设计了改进的与检测接口匹配的T型前置放大器.实验结果表明:相比于跨阻式前置放大器,采用改进的T型前置放大器的等效噪声输入电流由1.18 pA/√Hz降低至0.27 pA/√Hz,对应的电容极限分辨率可达到0.62 aF/√Hz.结果显示,采用与检测接口匹配的T型前置放大器提高了微机械陀螺的极限分辨率.     

基于带通Σ-Δ调制器的硅微机械陀螺力反馈闭环检测

为了提高硅微机械陀螺(SMG)的性能,研究了一种基于四阶机电结合带通Σ-Δ调制器(SDM)的硅微机械陀螺力反馈闭环检测方法。基于谐振器级联谐振前馈(CRFF)结构设计了该方法的仿真模型,并利用商用软件SD TOOLS计算了环路参数。采用MATLAB/SIMULINK对设计结果进行了行为级仿真,结果表明,1 Hz条件下环路的信噪比达到了109.2dB,符合设计预期。在此基础上,以现场可编程门阵列(FPGA)为数字处理核心搭建了硅微机械陀螺数字化测控电路并进行了性能测试。结果表明,采用带通SDM闭环检测技术和数字化闭环驱动技术后,硅微机械陀螺的Allan方差零偏不稳定性约为1.15(°)/h,角度随机游走约为7.74×10-2(°)/√h,且信噪比参数满足了设计目标。得到的结果证明了设计方法的正确性;显示提出的带通SDM力反馈闭环检测方法有助于提高SMG的性能,拓展其应用领域。     

电容式微机械陀螺调理电路

电容式微机械陀螺的驱动电压比敏感信号大4个数量级以上,而且敏感电容很小,敏感电容与驱动电容之间的杂散耦合电容往往只比敏感电容小2个数量级,因此产生驱动电压严重干扰敏感信号问题。电容式微陀螺有2个振动自由度,2个振动自由度的机械耦合也严重干扰敏感信号。本文提出一种调理电路方案,该方案利用电容式微陀螺振动的惯性,对其进行不连续驱动,在敏感信号达到最大值时进行积分采样,并且在采样时关闭驱动电压的方法,有效地减少了干扰。在往复运动的固定相位点进行信号采样,也有利于减缓机械耦合干扰,此方法比常规连续波相敏检测的方法的信噪比有了明显的改善。     

解耦z轴微机械陀螺的研制

提出了一种检测模态解耦的z轴微机械陀螺,其检测模态被约束为1自由度振动,可抑制驱动模态的影响,降低不期望的检测模态偏置,并使用双质量结构在降低模态耦合的同时获得了较好的模态频率匹配.为满足驱动和检测模态自由度约束要求,使用了U形支撑梁.采用反应离子深刻蚀工艺制作了高深宽比结构层,获得了较大的验证质量,抑制了器件的机械热...     

基于TMS320F2812的硅微振动陀螺仪的驱动研究

本文介绍了一种采用DSP技术实现的硅微振动陀螺仪．分析了利用TMS320F2812的PWM端口产生的脉宽调制波来实现D／A转换的工作原理．并且基于这种工作原理来产生正弦波实现对硅微陀螺的驱动，并给出了对应的硬件电路和C语言源程序。     

硅微谐振式加速度计驱动电路参数优化

将遗传算法与低频模型相结合,提出了一种快捷的驱动电路设计方法,用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能,并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦,提取闭环驱动电路的低频模型;将提取的低频模型与遗传算法相结合,给出完整的优化方法,得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计,建立了SIMULINK低频仿真模型,根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数,并对其进行了实验验证。起振实验结果表明,采用优化参数可使超调量小于50%,相位误差小于5°,1%调节时间从优化前的0.42 s减少到优化后的0.19 s,实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效,具有可实施性。