硅微振动陀螺仪驱动器自激驱动研究

为了提高硅微机械陀螺仪的检测精度,稳定驱动振动速度的幅度和频率,采用了硅微机械陀螺仪自激驱动方式.该方式能够使驱动振动自动稳定在陀螺仪驱动模态的谐振频率上.同时,采用自动增益控制(AGC)保持恒定的驱动振动幅度.根据自激驱动电路原理和现有的陀螺样品,建立了陀螺仪驱动动力学方程的等效电路模型.设计、制作了自激驱动电路,仿真和实验结果表明该方法切实可行.     

一种双线振动硅微机械陀螺仪驱动检测电路设计

以一种双线振动硅微机械陀螺仪为研究对象,设计了驱动、检测电路,达到了一定的性能要求。驱动模态使用自激振荡的闭环控制方式,使陀螺稳定工作在其固有频率上。在载波和驱动环节使用了一种AGC技术,实现了载波信号和驱动模态的幅度的高精度控制。使用二极管一次解调,简化了电路结构。检测部分使用了一种相位修正放大电路,有效减小了有用信号频率附近的幅相误差。     

硅微机械角速度传感器闭环驱动控制方法研究

在分析硅微机械角速度传感器稳定工作条件的基础上,探讨了微机械角速度传感器对驱动电路的控制要求,提出了一种新颖的驱动频率自动跟踪的控制方法,给出了驱动电路闭环控制框图,详细分析了驱动模态闭环控制逻辑。最后的开、闭环对比实验说明了本控制方案的有效性。     

一种全新的硅微阵列陀螺仪

介绍了一种全新的硅微阵列陀螺仪的结构设计、模态仿真、电路闭环控制、数据融合方法和相关的的实验结果。基于热弹性阻尼理论的数值仿真,利用结构解耦的方法设计了硅微阵列陀螺仪的四质量块结构。利用ANSYS软件对硅微阵列陀螺仪的驱动模态和检测模态进行了仿真,仿真结果表明：硅微阵列陀螺仪共有四种不同的工作模态。根据静电力反馈原理,设计了基于数字锁相控制和数字闭环控制方法的控制电路。电路测试结构表明硅微阵列陀螺仪驱动模态的振动幅值的相对稳定性可以达到9×10-5。分析了硅微阵列陀螺仪的随机漂移特性,建立了漂移误差模型,并设计了卡尔曼滤波器以获取硅微阵列陀螺仪的随机漂移的最优估计。利用多传感器信息融合算法,硅微阵列陀螺仪的零偏稳定性可以提高10倍。     

对称解耦硅微陀螺仪结构设计研究

硅微机械陀螺仪的驱动模态和敏感模态间的交叉耦合制约了其性能的提高。设计了一种对称解耦硅微机械陀螺仪,它的驱动机构与检测机构都做线性滑膜阻尼振动且完全解耦,使得驱动和敏感模态之间的耦合小、结构振动平稳性好、品质因数高。该微陀螺仪的驱动与检测支承梁完全相同且对称分布,使得驱动模态和敏感模态的谐振频率受加工误差和温度变化的影响近乎相同,所以频率匹配性好,结构的灵敏度大大提高。实验测试结果表明对称硅微机械陀螺仪的耦合误差得到了有效减小,并且它的驱动和检测谐振频率仅相差6Hz,其品质因数在空气条件下分别为145和117,检测模态的品质因数与采用压膜阻尼振动方式进行检测的硅微机械陀螺仪相比有了显著提高。     

微机械陀螺仪模态分析

利用计算机软件对有限元法构建的微机械陀螺仪模型进行分析可以掌握其各种参数。根据静电梳状驱动结构,设计符合性能指标的陀螺仪结构,并利用有限元分析法借助ANSYS软件对陀螺仪进行模态分析,从而得出陀螺仪的驱动模态和敏感模态,为已经设计的结构提供分析和修正的参考,从而提高微机械陀螺仪设计结构的品质因数。     

微机械振动陀螺仪闭环驱动电路分析与设计

为了提高微机械振动陀螺仪输出信号的灵敏度,通常要求驱动信号频率与陀螺仪驱动模态的谐振频率相匹配,且驱动信号幅值稳定.驱动电压信号要满足这些要求,必须采用闭环驱动方式.完整地推导了闭环驱动电路的内在机理,探讨了自激振荡与锁相环两种实现方式,并给出了具体的电路原理框图.     

微机械角速率传感器的性能分析

中等精度的微机械角速率传感器具有成本低、可靠性高、体积小、重量轻等优点，在民用和军用领域有着广泛的应用前景，具有很强的前沿性；目前世界各国对其非常关注并投入了大量研制和开发费用，根据国际发展趋势和我国的需求，我们研制了静电驱动的振动轮式微机械陀螺仪，本文主要针对这处微机械陀螺仪的特性进行分析，从原理，动力学方程出发，推导出了此类陀螺的检测输入角速度灵敏度；开环、半环传递函数；交流反馈控制提取同相     

硅微机械振动轮陀螺仪非线性动力分析􀀁

本文简单介绍了硅微机械振动轮陀螺仪的工作原理,并给出了该陀螺仪的非线性运动方程和线性化运动方程．针对该陀螺仪的运动方程,进行了数值仿真研究．根据数值仿真结果,还提出为了提高测量的线性度必须采用闭环控制．同时,还给出了闭环控制的方案．     

硅微机械陀螺仪模拟信号检测技术研究

在陀螺测控中,信号的检测电路具有非常重要的地位.其性能直接影响着陀螺的精度.分析了几种微机械陀螺仪的模拟信号检测技术,指出了其中的不足.设计了一种针对硅微机械陀螺仪的信号检测电路,给出了设计方案的原理框图,详细分析了方案中重要环节的设计思路.电路与敏感结构进行了连接和实验.实验结果验证了设计方案的有效性.     

Structure design and fabrication of a novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope

A novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope is proposed which utilizes resonant sensing as the basis for Coriolis force detection instead of displacement sensing. It can overcome the shortcoming of single-mass resonant output micromechanical gyroscope and can reduce the common mode acceleration error by using a dual-mass topology structure and lever differential mechanism. The structure and operating principle of the device are introduced. Moreover, some important theoretical analyses of the gyroscope are provided in detail. The analytical results have shown that the resonant frequencies of vibrating mass and double-ended tuning fork resonators are 3.153 and 62.853 kHz. The device has a frequency sensitivity of 12.535 Hz/deg/s and a mechanical noise floor of $ 7.957\deg /{\text{h}}/\sqrt {{\text{Hz}}} A novel dual-mass resonant output micromechanical gyroscope is proposed which utilizes resonant sensing as the basis for Coriolis force detection instead of displacement sensing. It can overcome the shortcoming of single-mass resonant output micromechanical gyroscope and can reduce the common mode acceleration error by using a dual-mass topology structure and lever differential mechanism. The structure and operating principle of the device are introduced. Moreover, some important theoretical analyses of the gyroscope are provided in detail. The analytical results have shown that the resonant frequencies of vibrating mass and double-ended tuning fork resonators are 3.153 and 62.853 kHz. The device has a frequency sensitivity of 12.535 Hz/deg/s and a mechanical noise floor of 7.957deg/\texth/?{\textHz} 7.957\deg /{\text{h}}/\sqrt {{\text{Hz}}} in air. The finite element simulation results verify the accuracy of analytical algorithms. The common mode acceleration error of device can be reduced by 97.6%. The device is fabricated by SOG (Silicon on Glass) micro fabrication technology. Some important performances are measured by experimental method. The micromechanical gyroscope can be used to estimate the rotation rate by further implementing the signal processing electronics.     

微机械陀螺的刻蚀误差特性分析

微陀螺仪结构上的腐蚀凹槽或腐蚀腔可以由深层反应离子刻蚀技术得到,加工过程中存在的刻蚀误差对微陀螺的固有频率、输出精度和稳定性有重要的影响.采用有限元分析软件ANSYS建立了一种梳状微机械陀螺的有限元分析模型,采用解析的方法并通过Matlab数学软件进行仿真,研究了由于加工误差导致微梁过度刻蚀对微陀螺驱动模态、检测模态、固有频率、带宽、灵敏度的影响.结果表明,微梁刚度和微陀螺固有频率随着刻蚀角度的增大而增大;最大过度刻蚀角度为±2度时,其驱动模态和检测模态的固有频率的变化率均超过了14%;刻蚀误差会导致微陀螺工作模态降阶,以及干扰模态介于与驱动和检测模态之间且与驱动模态频率相近,这会严重影响微陀螺的输出精度;带宽随过度刻蚀夹角增大而减小,灵敏度随过度刻蚀夹角的变化而发生不规律变化;当刻蚀角度介于0°~1.5°时,微陀螺的灵敏度将高于无刻蚀误差时微陀螺的灵敏度.     

硅微型振动陀螺的设计

从理论和材料力学两方面对硅微机械振动陀螺进行研究，提出了一种简化的结构模型，并介绍了这种陀螺的设计方法。     

振动式微机械陀螺驱动环路数字自动增益控制研究

对微机械陀螺系统的自激驱动环路进行了分析,并对数字处理电路中自动增益控制(AGC)模块进行了深入研究,给出了一种高控制精度的定点数字AGC算法。通过理论分析和模型仿真,结果表明AGC控制精度得到很大的提高,对陀螺驱动输出信号的幅度具有很好的控制效果,从而可以大大减小陀螺温漂及其他一些因素引起的不稳定性。最后给出了算法的直线逼近近似实现方法,能在的定点DSP当中很方便的实现。     

振动式微机械陀螺驱动环路数字AGC研究

对微机械陀螺系统的自激驱动环路进行了分析,并对数字处理电路中自动增益控制（AGC）模块进行了深入研究,给出了一种高控制精度的定点数字AGC算法。通过理论分析和模型仿真,结果表明AGC控制精度得到很大的提高,对陀螺驱动输出信号的幅度具有很好的控制效果,从而可以大大减小陀螺温漂及其他一些因素引起的不稳定性。最后给出了算法的直线逼近近似实现方法,能在的定点DSP当中很方便的实现。     

梳齿式微机械陀螺支撑系统的结构仿真与分析

微机械陀螺是利用哥氏(wriolis)效应测量角速度的一种角速率传感器.提出一种梳齿式微机械陀螺结构,并且使用有限元仿真软件ANSYS对陀螺中的关键部件--支承梁进行结构仿真,在仿真过程中分别采用了整体建模和简化建模的方法对支撑梁的弹性系数进行了分析比较,最终得出可以采用简化模型代替整体模型对微机械陀螺中的支撑梁进行分析的结论,为陀螺支撑系统的仿真和分析提出了新的思路.     

Closed loop driving and detect circuit of piezoelectric solid-state micro gyroscope

Piezoelectric solid-state micro gyroscope is a novel kind of rotating rate sensor, which is based on the special thickness-shear vibrating mode of a piezoelectric body. Compared with the general vibratory micro gyroscope, it has no evident mass-spring component in its structure, so it has larger stiffness and robust resistance to shake and strike. Therefore, piezoelectric solid-state micro gyroscope can be used in the high-g environment. In this paper, piezoelectric solid-state micro gyroscope working principle is described. The closed loop driving and detect circuit of piezoelectric solid-state micro gyroscope is proposed in order to track the resonance frequency drift, stabilize the driving voltage value and detect the gyroscope output. The closed loop driving circuit (CLDC) mainly contains phase lock loop circuit, automatic gain circuit. Detect circuit mainly contains de-modulator, difference amplifier, Phase shift circuit and low pass filter. Experimental results show that the frequency of CLDC fluctuates within ±15 Hz with the resonance frequency of 357.9 kHz when get its stable status and the fluctuation of reference voltage is within ±7 mv, while the fluctuation of reference voltage in open loop driving circuit is ±23 mv. In the experiment, the sensitivity of the gyroscope with 740 mv/rad/s is observed. The work in the paper provides the theoretical and experimental foundation for realizing for this kind of gyroscope.     

一种高灵敏度硅微机械陀螺的设计与制造

设计与制造了一种高灵敏度的硅微机械陀螺。陀螺用静电来驱动,用连接成惠斯顿电桥的压阻式力敏电阻应变计来检测。主梁、微梁 质量块结构实现了高灵敏度。比较硬的主梁提供了一定的机械强度,并且提供了高共振频率。微梁很细,检测时微梁沿轴向直拉直压。力敏电阻应变计就扩散在微梁上,质量块很小的挠动就能在微梁上产生很大的应力,输出很大的信号。5V条件下,陀螺检测部分的理论灵敏度达到27.45mV/gn。压阻式四端器件用来监测驱动振幅,可以反馈补偿压阻的温度系数。检测模态的Q值达260使陀螺能在大气下工作。陀螺利用普通的n型硅片制造,为了刻蚀高深宽比的结构,使用了深反应离子刻蚀(DRIE)工艺。     

壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响

分析了壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响,导出并分析了不平衡摆性误差和正交不平衡误差。     

三框架电容式硅微机械陀螺动力学分析

为了解决双框架陀螺在加工中不可避免的误差,提出了三框架电容式微机械陀螺系统。该系统由3个框架(即3个质量块)组成。采用静电差分驱动方式,梳状叉指电容,多个柔性杆设计使得该结构从理论分析和加工误差上解决了耦合现象。同时,通过提高中间框架的质量,使得陀螺的灵敏度大大提高。介绍了该三框架电容式微机械陀螺仪的工作原理,给出了所设计陀螺动力学方程的详尽推导和MAT-LAB仿真分析。