双自由度双解耦陀螺的结构设计与仿真

设计了一种新颖的陀螺结构,该结构采用双自由度设计增大检测带宽,并缓解了品质因数对陀螺灵敏度的影响;采用了双级解耦的结构设计,减小了驱动模态的同频耦合干扰.文中对结构进行了电学模型建模,并进行了相应的时域和频域分析.     

微机械陀螺解耦控制技术的研究

研究微机械陀螺优化控制问题.由于微机械陀螺具有很严重的耦合误差,使得其精度和性能大大减弱.现有微机械陀螺解耦方法大都集中在结构解耦,受工艺和外界环境影响严重,且稳定性较差.针对上述问题,为了从源头消除耦合,在结构解耦的基础上提出了两种控制解耦方案即传统解耦方法和BP神经网络解耦方法,首先用传统解耦方法在建立其精确数学模型的基础上找到合适的解耦矩阵,使得驱动的输入和检测的输出为单一方向的运动,来实现控制解耦.然后用传统解耦后的数据来训练BP神经网络,进行解耦仿真,从而根本上消除耦合误差.仿真结果表明,上述控制解耦方案能根本上有效消除耦合,提高微机械陀螺解耦控制的鲁棒稳定性.     

一种Z轴微机械陀螺的自解耦方法研究

在分析了微机械陀螺机械耦合误差产生原因的基础上,提出了一种解耦梁方案,可以从结构上消除振动式微机械陀螺敏感模态对驱动模态的耦合影响;基于该解耦梁方案设计了一种新型的Z轴微机械陀螺结构.分析表明,该陀螺结构消除了敏感模态对驱动模态的耦合影响,实现了解耦设计的目的.     

一种新型解耦陀螺的结构及电路设计

提出了一种新型的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另外一组梳齿两种结构检测感应模态的振动.该结构阻尼系数小,可达到较高的测量分辨率和准确率.本文采用解析方法和有限元法分析了该结构的振动阻尼特性、机械解耦和噪声特性以及梳齿结构的电磁学特性.提出了该结构的驱动电路和信号检测电路,并对电路特性进行了仿真分析.     

基于近似模型的y轴微机械陀螺系统级优化

提出一种基于近似模型的MEMS系统级优化方法,给出具体实现流程,并结合一个y轴微机械陀螺进行优化.该方法解决了如何得到近似优化目标函数表达式的关键问题.所得的y轴微机械陀螺优化参数,使得陀螺驱动模态谐振频率fx和检测模态谐振频率fz分别为3074 Hz和2998 Hz,两者之间相差76 Hz,较好的实现了模态匹配,且都在3000 Hz的设计要求附近,约束条件也得到了满足.该优化方法为在MEMS设计中快速获得系统级优化方案提供较好参考.     

微机械音叉陀螺的误差源研究􀀁

定性地讨论了微机械音叉特有的一些误差源。主要有机械结构的Ｂｒｏｗｉｎａｎ噪声,电路噪声,等。对上述误差源的认识是微结构制造和电路设计的基础。     

微机械陀螺在机载光电平台中的应用

本文介绍了微机械(MEMS)陀螺仪ADXRS300,它采用iMEMS技术,单片集成设计,并将所需要的信号调理电路集成在芯片中。并设计了三轴姿态稳定单元,应用在某机载光电平台中,实验数据表明,它的精度达到了中低精度场合的需求,而且大大减少了体积、功耗、重量,价格等。     

微机械陀螺ASIC接口电路设计

在分析微机械陀螺接口电路工作原理的基础上,采用中电集团第24研究所的3μm10 V P-well标准模拟CMOS工艺设计并制作了微机械陀螺ASIC接口电路.电路HSPICE仿真灵敏度为0.252 mV/aF.芯片面积为5.5 mm×4.4 mm,在此工艺流片并进行了芯片测试.结果表明,在10 V电源电压下,其功耗为49.3 mW,输出摆幅为4.85±3.1 V,输出节点的零点偏离为0.15 V.此芯片具有微陀螺驱动及信号检测功能,可实现与微陀螺敏感结构的双片集成.     

一种用有限元工具仿真水平轴微陀螺解耦性能的方法

提出了一种用有限元工具ANSYSTM的谐响应分析功能仿真陀螺在模态频率下位移的方法.利用这种方法,仿真得到了陀螺模态间的机械耦合,并通过测试对仿真结果进行了验证.这种方法还能仿真由于工艺误差造成的结构不对称性对陀螺性能的影响,并证明了双解耦性能有利于抑制这种不对称带来的误差.     

微机械陀螺冲击特性及可靠性研究

为了深入掌握微机械陀螺的冲击响应特性,本文进行了详细的理论推导和MATLAB仿真分析,并进行了测试验证。冲击试验结果表明,理论分析和试验结果基本一致,考虑最坏情况可知,当脉宽对应的冲击频率与陀螺固有频率越接近,并且陀螺品质因子和冲击加速度幅值越大时,则冲击带来的影响就越大,梁越容易发生断裂失效。因此要使MEMS陀螺具有较强的抗冲击能力,必须综合优化设计陀螺的真空度和固有频率。     

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。     

Interface and control electronics for a bulk micromachined capacitive gyroscope

An interface and control electronics have been designed and implemented for a bulk micromachined capacitive gyroscope. The system is composed of an application-specific integrated circuit (ASIC) that implements the analog parts of the system and a field-programmable gate array (FPGA) chip that implements the digital signal processing part. Both the system architecture and details of the different circuit blocks will be discussed. The system utilizes phase coherent demodulation to resolve the final output signal. In a typical implementation, phase delay and phase noise in the clock generation cause the signal quality to degrade. A method for correcting these errors will be introduced. A prototype of a microelectromechanical gyroscope has been realized and characterized. The measurement results show that the gyroscope achieves 0.042°/s/  spot noise and 51.6-dB signal-to-noise ratio (SNR) over the 40-Hz bandwidth with a 100°/s input signal.     

Designing of a micromachined gyroscope system with a closed-loop DC biased interface ASIC

In this paper, a micromachined gyroscope system composed of a vibratory gyroscope with its in- terface ASIC is presented. The system adopts a DC sensing method to detect the capacitive motion, which is insensitive to the mismatch of the gyroscope capacitors and can eliminate high frequency signals from the chip. Therefore it offers a commendable noise performance with simplified topology. Low noise design can be achieved by a continuous-time charge sensitive amplifier with the input-referred noise voltage of 9.833 nV/rtHz at 10 kHz. A novel high voltage （HV） buffer is adopted in the drive mode to strengthen its drive signal, so that the common-mode voltage of it is made at 5 V that is compatible with the gyroscope. The HV buffer utilizes two sets of power supply to achieve both good noise performance and HV output. The ASIC chip is fabricated in the 0.35 μm 2P4M BCD HV process, and is 2.5×2.0 mm2 in dimension. The test results prove that the system achieves a stable closed-loop oscillation in the drive mode. Furthermore, the in-phase demodulation result of the gyroscope system achieves a nonlinearity of 0.14% within the sense range of 0° 500°/s.     

微机械陀螺仪检测反馈控制系统研究

以单自由度硅微振动轮式陀螺仪的检测动极板为控制对象,系统的结构特性决定了只能选择反馈控制方式对其进行控制。为实现这种控制对控制系统进行建模以及设计合适的校正环节。反馈方式控制的应用可以有效地改善系统的动态特性和稳态特性。加入校正环节后的系统幅值和相角裕度分别达到了17.5dB和57.3°,这为实际的应用提供了指导。     

磁悬浮转子微陀螺旋转驱动电路设计

介绍了基于MEMS技术的磁悬浮转子微陀螺的基本原理,重点对旋转的原理进行讨论,给出相应实现方案的指标分析和系统设计,并进行了实验.经过驱动后,微陀螺可以得到3 000 r/min的旋转效果,并对旋转的转速和力矩进行了分析.     

三轴微机械陀螺仪的结构设计与仿真

提出了一种适应国内加工条件的三轴微陀螺仪,依据三轴陀螺的结构和工作原理,利用ANSYS有限元仿真软件对三轴陀螺的设计进行了计算和仿真.在此基础上,通过调节结构参数实现各轴驱动模态与敏感模态固有频率的匹配以提高各轴的灵敏度.最后介绍了加工所采用的工艺.     

微机械陀螺管芯测试方法

采用低分布参数陶瓷探针卡和卡上前置放大器的静电驱动测试方案,解决了微机械陀螺管芯测试中分布参数的影响问题,测得准确的频率特性,获得应用、评估中必需的谐振频率、品质因数(Q值)等参数。在将管芯与测试电路分离、结合的过程中,四维精密位移台发挥了良好的作用。显微视频系统使观察、记录更加准确方便。虚拟仪器技术的应用提高了测试过程的自动化程度。系统为快速剔除不合格产品、测试评估各项性能指标提供了快速有效途径,在促进微机械陀螺技术发展与产业化过程中必将发挥重要的作用。     

Inherently robust micromachined gyroscopes with 2-DOF sense-mode oscillator

Commercialization of reliable vibratory micromachined gyroscopes for high-volume applications has proven to be extremely challenging, primarily due to the high sensitivity of the dynamical system response to fabrication and environmental variations. This paper reports a novel micromachined gyroscope with two degrees-of-freedom (DOF) sense-mode oscillator that provides inherent robustness against structural parameter variations. The 2-DOF sense-mode oscillator provides a frequency response with two resonant peaks and a flat region between the peaks, instead of a single resonance peak as in conventional gyroscopes. The device is nominally operated in the flat region of the sense-mode response curve, where the amplitude and phase of the response are insensitive to parameter fluctuations. Furthermore, the sensitivity is improved by utilizing dynamical amplification of oscillations in the 2-DOF sense-mode oscillator. Thus, improved robustness to variations in temperature, damping, and structural parameters is achieved, solely by the mechanical system design. Prototype gyroscopes were fabricated using a bulk-micromachining process, and the performance and robustness of the devices have been experimentally evaluated. With a 25 V dc bias and 3 V ac drive signal resulting in 5.8 /spl mu/m drive-mode amplitude, the gyroscope exhibited a measured noise-floor of 0.64/spl deg//s//spl radic/Hz over 50 Hz bandwidth in atmospheric pressure. The sense-mode response in the flat operating region was also experimentally demonstrated to be inherently insensitive to pressure, temperature, and dc bias variations.