硅微陀螺仪的机械耦合误差分析

机械耦合误差是硅微陀螺仪的主要误差之一,为了向减小或消除机械耦合误差提供理论依据,研究了机械耦合误差的产生机理。本文以z轴硅微陀螺仪为研究对象,以动力学方程和矩阵理论为基础,分析了由于加工非理想性产生的不等弹性、阻尼不对称和质量不平衡产生的误差信号,建立了机械耦合误差信号的数学模型,并定量分析了z轴硅微陀螺仪样品的机械耦合误差信号。结果表明,机械耦合误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号,其中正交耦合误差为主要误差信号,且主要由不等弹性产生。最后,测试了z轴硅微陀螺仪的正交耦合误差信号,为342.59 º/s,且与理论结果相吻合。因此,抑制和补偿正交耦合误差是减小机械耦合误差的关键技术之一。     

微机械振动陀螺仪正交误差分析

本文在简要介绍微机械振动陀螺仪工作原理的基础上,分析影响陀螺仪性能的正交误差所产生的原因,推导其内在的数学机理,并探讨抑制或消除正交误差影响的方法和措施.     

硅微陀螺仪正交耦合系数的计算及验证

硅微陀螺仪多采用微机械加工工艺制作,其加工的相对精度较低,从而易产生正交耦合误差,影响陀螺仪的输出。为了优化设计硅微陀螺仪结构,提高其性能,本文建立了陀螺仪正交耦合系数的理论分析模型。首先,利用能量方法推导陀螺仪驱动梁的面内刚度;然后,建立陀螺仪的刚度矩阵;最后,推导了正交耦合系数的理论计算公式。针对本课题组研制的双质量振动式硅微陀螺仪,理论计算出其直接耦合系数为4.74×10^-5,二次耦合系数为8.44×10^-7。得到的陀螺仪的正交耦合系数为4.75×10^-5,与仿真值相差8.7%。分析得到陀螺仪正交耦合系数的最大值为2.18×10^-4,与仿真值相差7.9%。最后,实验验证了计算结果的正确性。得到的结果表明,建立的正交耦合系数理论分析模型可为硅微陀螺仪的结构优化设计提供理论依据和实际指导。     

硅微陀螺正交误差校正方案优化

本文意在寻求双质量硅微机械陀螺仪正交校正最优方案。首先介绍了带有正交校正和检测力反馈梳齿的双质量硅微机械陀螺结构,量化分析了正交误差对输出信号的影响并进行了仿真,结果显示解调相角变化为±2°,200(°)/s的正交误差等效输入角速率可引起15(°)/s的输出信号变化。然后,对目前3种比较主流的硅微机械陀螺仪正交校正方法(电荷注入法(CIM)、正交力校正法(QFCM)和正交耦合刚度校正法(QCSCM))进行了实验研究,从理论上证明了这3种方法的可行性。对未加入正交校正环节的陀螺进行了实验,结果显示其左、右质量块输出的正交误差信号峰峰值分别为150mV和300mV。针对两质量块正交误差不等的实际问题提出了质量块单独校正的方案。采用CIM、QFCM和QCSCM对校正前零偏及其稳定性分别为-4.589(°)/s和378(°)/h的陀螺进行了实验校正,结果显示3种方法均可有效消除检测通道中正交信号,3种方法的零偏及零偏稳定性结果分别为-8.361(°)/s和423(°)/h,2.419(°)/s和82(°)/h,1.751(°)/s和25(°)/h,证明了正交耦合刚度校正法为3种方法中的最优方案。     

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。     

硅微振动陀螺仪设计与性能测试

介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测.利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构.为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空封装技术实现了器件级真空封装,并消除了轴向加速度等共模干扰的影响.陀螺电路采用自激闭环驱动、开环检测的方式,简化了电路.为了降低环境温度对陀螺零偏的影响,研究了既定范围内陀螺的输出特性,建立了陀螺输出与温度之间的关系模型,设计了温度补偿电路,降低了陀螺整表的功耗和体积.对采用上述技术的硅微陀螺仪进行了性能测试,测试结果表明,陀螺Q值＞100 000,量程为±500(°)/s,标度为21.453 mV·(°)-1s-1,非线性和对称性分别为36.905×10-6和184.125×10-6.常温下陀螺零偏稳定性为7.714 3(°)/h,带宽为100 Hz,整表体积为31mm×31mm×12mm,功耗为288 mW.该陀螺仪性能好、体积小、功耗低,在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景.     

硅微陀螺仪零偏稳定性的优化

为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性,使其满足更高精度应用场合的需求,研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例,对影响其零偏稳定性的主要因素：机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析,并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则,优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试,以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明,4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移,且零偏稳定性在6（°）/h左右,达到了中等战术级水平。     

基于偶极子补偿法的硅微机械陀螺仪带宽拓展

硅微机械陀螺仪的机械灵敏度与驱动和检测模态的谐振频率差Δf成反比,而Δf处的谐振峰是影响陀螺带宽的直接因素,带宽约0.54Δf,因此,带宽和机械灵敏度往往成为两个互为矛盾的指标。基于自动控制原理中介绍的偶极子理论提出了偶极子补偿控制技术,该方法在不影响机械灵敏度的前提下可有效拓展陀螺带宽。首先,对涉及到的双质量硅微机械陀螺仪的结构形式和工作原理进行了介绍,指出陀螺实际工作的检测模态是由检测同相和反相模态叠加而成,设计了陀螺开环检测回路,分析了带宽是由驱动反相和检测反相模态的谐振频率差决定,并结合检测力反馈激励法验证了上述结论;其次,根据偶极子工作原理设计了偶极子补偿控制器的系统传递函数和电路,并对相关内容进行了仿真,验证了电路参数的准确性;最后,基于偶极子补偿控制器建立了硅微机械陀螺仪闭环检测系统,分析了该系统的稳定性,并对该系统的带宽特性进行了仿真和测试,结果显示带宽由原来的13 Hz拓展到了76 Hz,很好地证明了本文提出方法的可行性。此外,鉴于双质量陀螺的实际检测模态,在消除了第一个Δf谐振峰对带宽的影响后,由检测同、反相模态叠加产生的共轭零点引起的幅值谷为带宽进一步提高的限制因素。     

硅微陀螺仪器件级真空封装

为实现硅微陀螺仪真空封装以提高其性能,对硅微陀螺仪器件级真空封装技术进行研究.首先,设计硅微陀螺仪的专用陶瓷封装管壳,并采用钎焊技术进行封帽,采用金锑合金为焊料以满足封装过程中的高温.分析除气工艺对硅微陀螺仪品质因数的影响,除气试验结果表明,将硅微陀螺仪芯片和封装壳体放置在真空炉中进行高温烘烤,能有效地提高硅微陀螺仪的品质因数.制定硅微陀螺仪器件级真空封装的工艺流程,封装好的硅微陀螺仪的品质因数约为10 363.7,约为空气下的50倍.硅微陀螺仪品质因数跟踪测试结果表明,真空封装的硅微陀螺仪存储5个月后,其品质因数降低为最初的55.1%,这表明采用该器件级真空封装技术封装的硅微陀螺仪的真空保持度较差,有待进一步研究.     

硅微陀螺仪器件级真空封装技术研究

为进一步提高硅微陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了硅微陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。首先,以硅微陀螺仪动力学方程为基础,分析了硅微陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品质因数陀螺仪的空气阻尼。根据早期真空封装陀螺仪的品质因数跟踪测试曲线,分析了品质因数下降原因。采用程序升温脱附职谱分析法（TPD-MS）分析陶瓷管壳和金属盖板的放气特性,并选用了合理的吸气剂。最后,改进了器件级真空封装流程。测试结果表明,采用改进的器件级真空封装的陀螺仪品质因数最高可达162660,约为早期真空封装陀螺仪品质因数的14倍,且在一年内的变化小于0.05%。     

一种栅型结构微机械陀螺的研究

介绍了一种新型结构微机械陀螺的设计及制作。新型陀螺的驱动振动和敏感检测振动的阻尼均为滑膜阻尼，且几乎相同，惯性质量块为栅型结构，由弹性悬臂梁支撑，驱动固定电极和敏感检测固定电极位于惯性质量块下方。分析了新型陀螺的工作特性，说明了陀螺结构参数对陀螺灵敏度的影响，实验结果表明，大气状态下，新型栅结构微机械陀螺的驱动和敏感检测品质因子Q均可达到66。     

一种适用于旋转载体自动驾驶仪的硅微机械陀螺

介绍了一种适用于旋转载体自动驾驶仪的硅微机械陀螺.该陀螺的特点是陀螺本身不包含驱动结构,利用旋转载体自旋作为驱动,陀螺输出信号中包含旋转载体自旋、偏航和俯仰角速率信息.根据陀螺的结构和工作原理,建立了陀螺的运动学方程.针对陀螺信号的特点,给出了从陀螺信号中同时解调旋转载体自旋、偏航和俯仰的角速率的算法,以及消除旋转载体自旋角速率变化对陀螺标度因数变化的算法.实验证明了解理论分析和算法的可行性.     

一种基于滑膜阻尼效应的新型微机械陀螺

介绍了一种基于滑膜阻尼效应的新型音叉式微机械陀螺。该陀螺包括两个驱动质量块和由各自驱动质量块支撑的检测质量块，通过检测质量块上的栅形电极与玻璃衬底上的固定检测电极之间的电容变化实现角速度信号的检测。对陀螺进行了结构设计和分析。在陀螺芯片的制作过程中，解决了深反应离子刻蚀过程中的根部效应和滞后效应等问题。初步测试结果表明，该陀螺灵敏度和非线性度比较理想。     

微机械振动陀螺的耦合误差和隔离耦合的结构设计

微机械振动陀螺是近几年发展起来的新型惯性元件,其误差源主要有微机械结构的Brownian噪声,电路噪声,机械耦合误差及电子机械耦合误差等,这些误差严重影响陀螺仪的精度。本文提出了单级隔离耦合和双级隔离耦合的结构方案,有效减小机械耦合误差,提高精度。     

振子框架式微机械陀螺设计优化

采用多端口组件网络方法对振子框架式微机械陀螺(CGMG)进行设计,分析了主要结构尺寸对其固有频率的影响。根据陀螺驱动模态频率和检测模态的频率匹配,优化了陀螺的结构尺寸。结果表明,该方法可以实现MEMS整体行为的快速仿真,并能分析局部尺寸参数对系统性能的影响。     

基于集总参数宏模型的微机械陀螺多域耦合分析

对微机械陀螺中静电、结构、空气阻尼等物理域进行有效分离，在分别对各域进行数值模拟的基础上提取相应的物理参数，建立集总参数模型。在考虑边缘效应的情况下，提取了微结构电容与位移的解析表达式；根据热一流体类似方法，提取了阻尼孔结构的阻尼系数和压膜刚度；根据结构动力学理论，由模态分析提取结构的有效刚度和有效质量。将这些物理参数综合在系统仿真器中与外围电路共同进行仿真，准确地评估不同条件下微机械陀螺的行为特性。     

静电悬浮转子微陀螺微位移信号检测系统的设计

为实现对悬浮转子微陀螺转子五自由度的测量,提出了一种频分复用的微位移检测原理,主要介绍了多频率信号发生器,前置放大器,锁相放大器组成的测试系统,设计了一种基于DDS技术的多频率信号发生器和基于锁相放大原理的解调电路。实验和分析结果表明,该电路能实现多自由度微位移检测,设计的多频率信号发生器的频率分辨率能达到0．005821Hz,相位分辨率可以达到0．006rad,检测轴向灵敏度为1．34V／μm,检测径向灵敏度为0．092V／μm,测量电路的轴向位移分辨率为0．45nm,径向位移分辨率为6．6nm,转角的分辨率为0．25μrad,位移检测电路的分辨率,灵敏度和测量范围能够满足静电悬浮转子微陀螺的控制需要。     

一种电容式硅微机械麦克风的设计与制造

给出了一种电容式硅微机械麦克风的设计和制造方法。该微机械麦克风在单一硅片上制作,麦克风的两个电极由1个3层复合敏感膜和1个带有通气孔的金属铜底板构成,敏感膜与底板之间采用牺牲层技术形成空气问隙。测试结果表明,该硅微机械麦克风适合在工业界推广应用。     

一种单晶硅振动环陀螺仪的设计与制作

介绍了振动环式陀螺仪的基本工作原理,分析了传统的振动环式陀螺仪所存在的缺陷.并针对这些问题,设计和制作了一种单晶硅式振动环陀螺仪.该陀螺仪采用硅玻璃键合工艺制作,利用振动环作为敏感元件,选取静电激励、电容检测的工作方式.设计陀螺仪的工作频率高于15 kHz,以降低了环境对陀螺仪性能的影响.陀螺仪的制作方法简单,只需要2块掩模板,便于批量化生产.