一种微机械谐振传感器的频率读出及分析方法

为了对微机械谐振传感器的振动信号频率进行读出及短期稳定度分析,文中以静电驱动的某微机械振动双框架陀螺为例,介绍了频率调制解调的接口信号读取方法,并利用频率计和软件插件对振动频率进行了采样,最后利用Al-lan方差分析了频率的短期稳定性.利用介绍方法测得实验室制作的微机械振动陀螺驱动模态谐振频率为13.552 kHz,7 min内频率偏差在±10 ppm(1 ppm=10-6)以内,稳定度达到应用要求.     

微机械振动式陀螺接口电路设计与实现

介绍了一种电磁驱动电容检测的微机械振动式陀螺的接口电路,电路由自激驱动电路和信号检测处理电路组成。自激驱动部分利用陀螺自身的谐振特性配合反馈电路产生自激振荡,同时为检测部分提供了稳定的同步信号;检测部分利用该同步信号和陀螺的输出信号进行同步解调,得到角速度信号。最后对该电路的性能和测试结果进行了分析。     

微机械振动环陀螺

为了减小振动环驱动模态和检测模态的频率差从而提高陀螺性能,提出了一种采用电磁驱动、电磁检测的全对称振动环陀螺结构。采用MEMS体硅工艺完成该微机械振动环陀螺的加工,其结构在保持镜像对称的同时,还保持了中心对称,因此整个结构高度对称,有利于减小模态频率差。为有效跟踪陀螺驱动模态的谐振频率并稳定驱动模态的幅值,设计了闭环驱动控制电路。该电路由低噪声前置放大器、相位调整环节以及自动增益放大器(VGA)组成。测试结果表明,该陀螺两个模态频率差为0.27 Hz,实现了频率较好的匹配。在±200 °/s,测得陀螺灵敏度为8.9 mV/(°/s),分辨力为0.05 °/s,非线性度为0.23%。     

微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路研究

本文分析了微机械谐振传感器的闭环工作特性,在此基础上研究了微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路的设计原则,研制出闭环恒幅驱动电路,并在微谐振式真空传感器和双框架微谐振陀螺上得到应用。     

栅结构微机械陀螺运动特性的研究

对一种新型微机振动陀螺原型的运动特性进行了理论分析。采用差分电容信号调制解调方法测量了微机械陀螺驱动和检测模态的幅频特性。理论计算和实验结果表明,在大气状态下,该微机械陀螺驱动模态和检测模态的品质因子具有相近数值,在100左右。测量了驱动模态民激励驱动下,微机械陀螺检测模态的幅频特性,实验结果表明,在无角速度输入的情况下,微机械陀螺在驱动模态和检测模态的谐振模态的谐振频率处发生谐振。     

基于隧道磁阻效应微陀螺双闭环驱动电路研究

由陀螺谐振频率变化引起的陀螺灵敏度漂移和测量稳定性下降是进一步提升微陀螺性能需要解决的问题,文中提出一种基于自动增益控制和锁相环的双闭环驱动回路方法。研究了隧道磁阻微陀螺的幅频和相频特性,并利用Simulink搭建了陀螺驱动模态以及自动增益控制和锁相环双闭环控制系统模型。结果表明,当驱动模态的幅值和微陀螺的固有频率发生变化时,采用双闭环驱动电路系统可以实现恒幅控制和频率的实时跟踪,达到稳态的振荡时间在ms量级,远小于传统闭环驱动电路的响应时间,这一方法将对进一步提高微陀螺测量稳定性和高灵敏度起到关键性的作用。     

基于随机平均法的MEMS陀螺自适应控制设计

利用随机平均法对MEMS(微机电系统)陀螺驱动和敏感模态进行了分析,研究了MEMS陀螺的自适应控制设计,使陀螺工作在调谐驱动和力平衡闭环检测状态.该设计能够实现陀螺的恒定幅度和固定频率谐振驱动、驱动和敏感模态匹配,抵偿由刚度耦合引起的正交误差信号,使敏感模态振动在零位平衡位置,提高陀螺动态范围和灵敏度.结合实际陀螺参数,利用MATLAB软件对陀螺自适应设计方案进行了仿真,并设计了驱动模态的调试电路,仿真和调试结果验证了理论分析的可行性.     

基于误差灵敏度的静电刚度式谐振微加速度计频率鲁棒性设计

运用误差灵敏度分析理论对静电刚度式谐振微加速度计在工艺误差下的初始谐振频率进行鲁棒性设计,通过解析法建立频率鲁棒条件下的机电耦合参数关系,指出合理的机械结构尺寸关系与合理的静电场电压调节都可以提高加速度计的频率鲁棒性,从而大大地降低结构设计难度与工艺加工要求;根据静电刚度式谐振微加速度计的刚度耦合特性及微加工工艺的不成熟性,频率的鲁棒性是通过驱动电路电压调节来实现的,从而说明了在微电子机械系统中,由工艺误差所引起的器件性能波动可以通过适当的电路调节进行补偿;运用硅微键合工艺与深反应离子刻蚀技术加工出加速度计的谐振器结构,将结构尺寸代入参数关系式中,得出保证频率鲁棒性的外加检测电压为1.37V。     

静电梳微谐振子直脚型结构的振动特征

静电梳微谐振子是微机械领域常用的直线型驱动装置。运用梁的理论讨论了一种常用的结构－直脚型结构的振动特性,提出了计算机结构谐振频率的实用算法。并探讨了影响谐振频率的几何参数,得到的结论对静电梳微谐振子的设计具有指导意义。     

静电梳微谐振子直脚型结构的振动特性

静电梳微谐振子是微机械领域常用的直线型驱动装置。运用梁的理论讨论了一种常见的结构———直脚型结构的振动特性 ,提出了计算结构谐振频率的实用算法。并探讨了影响谐振频率的几何参数 ,得到的结论对静电梳微谐振子的设计具有指导意义     

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。     

基于多通道锁相放大器的硅微半球谐振陀螺性能测试方法

针对硅微半球谐振陀螺的性能评测问题,研究了一种利用多通道锁相放大器(HF2LI)的快捷、有效测试方法。该方法首先利用多通道锁相放大器对硅微半球陀螺进行扫频,得到硅微半球陀螺的谐振频率和两模态的频差。再记录硅微半球陀螺谐振信号的衰减过程,通过MATLAB指数拟合,从而求得硅微半球陀螺的品质因数。再对调谐电极和模态电极同时施加直流偏压可实现两模态匹配,进而利用该锁相放大器的解调、PLL、PID等模块构建驱动闭环和敏感开环检测系统,测得硅微半球陀螺的标度因数和零偏不稳定性等参数。测试结果表明,该方法具有简单、快捷和有效等特点,可广泛应用于MEMS谐振器件的性能参数测试。     

静电陀螺红外发光二极管恒流供电

为提高静电陀螺稳定度和精度,设计了静电陀螺光源(红外发光二极管)交流驱动电路.介绍了恒流驱动电路的结构,并结合光电传感器读取静电陀螺转轴位置的实验要求,叙述了交流供电电路的设计,给出了电路仿真结果以及实际测试结果.测试结果表明,该电路在常温环境下,当采样电阻Rs=270 Ω时,对负载变化的恒流精度达到O.8%.     

带温度补偿的低温漂石英微机械陀螺接口ASIC设计

本文通过分析石英陀螺的工作原理,设计了闭环自激驱动、低噪声相敏解调原理的接口电路,并研究了驱动力耦合对零位输出造成的影响,以提高石英陀螺的环境适应性。通过研究传感器敏感表头的空气阻尼和谐振频率等方面的温度特性,得出温度对驱动力幅值的影响。进而提出通过驱动力幅值进行温度补偿的方法。对接口电路温度特性以及对陀螺零位输出的影响进行了分析,设计了全温区带宽恒定的运算放大器单元,抑制由于检测信号中高次谐波分量比例变化产生的温度漂移,并在高压N阱CMOS工艺下流片,实现低温漂接口ASIC。在-45℃~85℃的温度范围内对石英陀螺整机进行零位温度循环测试,利用驱动力幅值对零位输出进行三阶拟合补偿,补偿后全温零位温度漂移小于20°/hr(1σ),短期稳定性为5°/hr,输出噪声为0.001°/s/√Hz。     

用零相位的方法检测微加速度计的谐振频率

介绍了谐振式微加速度计的工作原理。针对已设计好的谐振器样片结构,分析了微加速度计的驱动和检测原理。结合锁相环可以实现无相差的频率跟踪,提出了采用零相位差的方法来实现驱动信号动态跟踪谐振器的谐振频率,最后采用锁相环CD4046进行了硬件电路的设计。     

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。     

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。     

静电梳微谐振子蟹脚型结构的振动特性

运用梁的理论讨论了静电梳微谐振子常见结构———蟹脚型结构的振动特性 ,推导出计算蟹型结构谐振频率的计算公式 ,分析了各几何参量对结构谐振频率的影响 ,并和静电梳微谐振子的另一种常见结构———直脚型结构的振动特性进行了比较。得到的结论对静电梳微谐振子的设计具有指导意义     

一种用于微谐振器频率调节的静电梳齿结构设计

针对微梳齿谐振器频率偏移的问题,提出了一种用于微谐振器频率调节的曲线形状静电梳齿结构。通过对梳齿简单模型的静电力分析,得出其静电力-位移特性,其斜率就是静电弹性系数;然后从谐振频率出发,分析了影响谐振频率的因素。研究结果表明,对于梳齿式微谐振器,当调谐电压从0 V变化到80 V左右时,器件的有效弹性系数从2.64 N/m减小到1.23 N/m左右,且谐振频率从自然谐振频率18.9 kHz减小到13 kHz,降幅分别为53%和31%。实验结果表明,这种曲线梳齿"软化"了静电微谐振器或者微驱动器的系统弹性,能够有效地调节谐振频率。     

静电梳微谐振子蟹脚型结构的振动特性

运用梁的理论讨论了静电梳微谐振子常见结构－蟹脚型结构的振动特性,推导出计算蟹型结构谐振频率的计算公式,分析各几何参量对结构谐振频率的影响,并和静电梳微谐振子的另一种常见结构－直脚型结构的振动特性进行了比较,得到的结论对静电梳微谐振子的设计具有设计具有指导意义。