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。     

抗过载微陀螺结构的高灵敏设计与仿真

为解决高过载微陀螺难以实现高灵敏检测的问题,设计了一种高灵敏且高过载的微陀螺结构。设计的微陀螺结构驱动模态与检测模态的频率高度匹配,提高了微陀螺的结构灵敏度。该微陀螺采用面内检测方式,驱动与检测模态阻尼类型主要为滑膜阻尼,实现了在大气压环境下微陀螺的高品质因数Q值设计。微陀螺均采用双悬臂梁设计,增加了微陀螺结构的稳定性,进而提高了其抗过载能力。最后通过微陀螺的器件级仿真,得到了所设计陀螺结构在驱动方向过载能力约为100 000g(g=9.8m/s~2),检测方向过载能力约为70 000g的前提下,结构灵敏度为53nm/[(°)/s]。     

压电式微固体模态陀螺谐振频率自动跟踪电路

压电式微固体模态陀螺振子通过交变电压激振、传感电极感应出电荷。当激励电压频率为某阶振动模态谐振频率时,感应电荷达到最大值。设计了谐振频率自动跟踪电路,使陀螺稳定工作在谐振模态。使用现场可编程门阵列(FPGA)控制直接数字频率合成器(DDS)产生频率精确可调的激励电压,驱动陀螺振子振动。检测谐振点对应的激励电压和感应信号间的相位差,作为反馈信号调节激励电压频率。实验结果表明,当相位差锁定区域处在98.48°~100.27°时,振子感应电极输出信号最大,振子处于谐振状态,实现了振子谐振频率的跟踪锁定。该系统可用于以谐振器为核心器件的振子工作模态锁定与跟踪。     

电磁驱动电容检测微机械陀螺的设计

介绍了一种电磁驱动电容检测微机械陀螺的结构和工作原理。该陀螺的突出优点在于驱动和检测采用了相互独立的折叠梁和振动质量 ,故驱动和检测间的耦合大大地减小。本文从理论上分析了折叠梁结构参数对振动模态频率的影响 ,并针对初步确定的结构尺寸 ,利用COVENTERWARE软件进行了静力学和动力学分析 ,对理论计算结果进行了验证     

旋转式硅微机械陀螺的研究

分析了旋转式硅微机械陀螺的工作原理,建立了该陀螺的数学模型,设计了其敏感结构,计算了陀螺振动元件三个轴向的转动惯量、弹性支撑梁扭转刚度、振动元件角振动阻尼系数等动力学参数,计算分析了陀螺的电容敏感特性。对制作的陀螺进行性能测试的结果表明,该陀螺利用旋转载体自身的旋转角速度作为驱动,从而说明敏感载体的俯仰(或横滚)角速度原理正确,并且理论和试验都说明,当载体自旋角速度不同时,陀螺输出信号的比例系数也不同。     

电磁驱动电容检测微机械陀螺的设计

介绍了一种电磁驱动电容检测微机械陀螺的结构和工作原理.该陀螺的突出优点在于驱动和检测采用了相互独立的折叠梁和振动质量,故驱动和检测间的耦合大大地减小.本文从理论上分析了折叠梁结构参数对振动模态频率的影响,并针对初步确定的结构尺寸,利用COVENTER WARE软件进行了静力学和动力学分析,对理论计算结果进行了验证.     

旋转式硅微机械陀螺的研究

分析了旋转式硅微机械陀螺的工作原理,建立了该陀螺的数学模型,设计了其敏感结构,计算了陀螺振动元件三个轴向的转动惯量、弹性支撑梁扭转刚度、振动元件角振动阻尼系数等动力学参数,计算分析了陀螺的电容敏感特性.对制作的陀螺进行性能测试的结果表明,该陀螺利用旋转载体自身的旋转角速度作为驱动,从而说明敏感载体的俯仰(或横滚)角速度原理正确,并且理论和试验都说明,当载体自旋角速度不同时,陀螺输出信号的比例系数也不同.     

旋转载体用硅微机械陀螺的动力学分析与仿真

提出一种“旋转载体用硅微机械陀螺” ,给出了该陀螺敏感头的结构尺寸 ,对陀螺角振动方程中出现的转动惯量、弹性支撑梁的扭转刚度系数和角振动阻尼系数分别进行了解析近似计算 ,得到了角振动幅度与被测角速率的关系曲线。用ANSYS仿真分析软件对陀螺结构进行模态分析和谐响应分析 ,比较计算机模拟和解析近似计算结果 ,它们相差不大 ,从而使两种处理方法相互得以验证     

旋转式硅微机械陀螺的研究

分析了旋转式硅微机械陀螺的工作原理，建立了该陀螺的数学模型，设计了其敏感结构，计算了陀螺振动元件三个轴向的转动惯量、弹性支撑梁扭转刚度、振动元件角振动阻尼系数等动力学参数，计算分析了陀螺的电容敏感特性。对制作的陀螺进行性能测试的结果表明，该陀螺利用旋转载体自身的旋转角速度作为驱动，从而说明敏感载体的俯仰（或横滚）角速度原理正确，并且理论和试验都说明，当载体自旋角速度不同时，陀螺输出信号的比例系数也不同。     

旋转载体用硅微机械陀螺的动力学分析与仿真

提出一种“旋转载体用硅微机械陀螺“,给出了该陀螺敏感头的结构尺寸,对陀螺角振动方程中出现的转动惯量、弹性支撑梁的扭转刚度系数和角振动阻尼系数分别进行了解析近似计算,得到了角振动幅度与被测角速率的关系曲线.用ANSYS仿真分析软件对陀螺结构进行模态分析和谐响应分析,比较计算机模拟和解析近似计算结果,它们相差不大,从而使两种处理方法相互得以验证.     

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。     

微机械轮式陀螺仪的结构分析

以轮式陀螺仪为研究对象,利用有限元方法分析了主要结构尺寸对其固有频率的影响。根据驱动模态和敏感模态的频率匹配,优化了陀螺的结构尺寸;通过谐响应分析确定了频率和振幅的关系,为结构设计和制备工艺提供了理论指导。     

Improved Design and Modeling of Micromachined Tuning Fork Gyroscope Characterized by High Quality Factor

This paper proposes an improved design of micromachined tuning fork gyroscope （M-TFG） to decouple the cross talk between driving and sensing directions better and to increase resolution. By employing dual-folds spring suspension, the drive mode and the sense mode are mechanically decoupled. Through careful layout design of the location of the dual-folds spring suspension and the drive combs, the mechanical coupling effect is further decreased by isolating the unwanted excitation from detection. The quality factor investigation demonstrates that high quality factor can be attained by using this structure, which can bring in accurate resolution. As a result, this design has the potential to accomplish low bias drift and accurate resolution for initial level applications.     

Drive-Mode Control for Vibrational MEMS Gyroscopes

This paper presents a novel design methodology and hardware implementation for the drive-mode control of vibrational micro-electro-mechanical systems gyroscopes. Assuming that the sense mode (axis) of the gyroscope is operating under open loop, the drive-mode controller compensates an undesirable mechanical spring-coupling term between the two vibrating modes, attenuates the effect of mechanical-thermal noise, and most importantly, forces the output of the drive mode to oscillate along a desired trajectory. The stability and robustness of the control system are successfully justified through frequency-domain analysis. The tracking error between the real output and the reference signal for the drive mode is proved to be converging with the increase of the bandwidth of the controller. The controller is first simulated and then implemented using field-programmable analog array circuits on a vibrational piezoelectric beam gyroscope. The simulation and experimental results verified the effectiveness of the controller.     

On the Mode-Matched Control of MEMS Vibratory Gyroscope via Phase-Domain Analysis and Design

This paper investigates a novel method for the mode-matched control of a microelectromechanical systems (MEMS) vibratory gyroscope through a phase-domain analysis. Compared with the previous works, the proposed method presents a simple and robust automatic mode tuning scheme for sensitivity enhancement. In designing the mode-matched control loop, the resonant characteristics of the driving axis are used as the reference mode. Then, the phase difference between sense and drive modes at the resonant frequency of drive mode is used to generate a control signal for phase error regulation. For the control loop design, a linear phase-locked loop is adapted. Through the simulation using practical MEMS gyroscope parameters, the mode-matching performance and robustness of the designed control loop is demonstrated. It is also shown that coupling effect yields no degradation of output sensitivity. Finally, the experimental results obtained by implementing the electronics of mode-matched control verify the feasibility of the proposed method.      

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....     

石英微机械陀螺敏感芯片的结构解耦特性研究

石英微机械陀螺敏感芯片通常采用双端音叉结构,驱动音叉和检测音叉的振动耦合误差是其主要误差源。对双端音叉结构陀螺敏感芯片进行了结构解耦设计仿真,分析了芯片安装区对检测音叉振动特性的影响。通过解耦设计,减小了零偏误差信号,提高了陀螺敏感芯片的稳定性。     

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.     

微机械梳状陀螺仪的瞬态分析

为了研究微陀螺敏感模态和驱动模态的固有频率与机械灵敏度以及相位漂移、稳定性的关系，利用敏感电压的负刚度效应调节两模态间的固有频率差，通过CovcntorWare软件进行瞬态分析，经优化仿真后得到了在一定的频率差下微陀螺的最佳性能。     

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。