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.     

自激驱动方式的振动式微机械陀螺全差动接口电路

以外框驱动内框检测(ISOD)的框架式振动陀螺为对象,采用CSMC 0.6μm标准CMOS工艺给出了驱动电路和检测电路的实现方式.仿真结果显示,同外加驱动方式相比,自激驱动方式能够让驱动电压工作于微机械陀螺的驱动谐振频率上,对温漂和时漂有很强的抑制作用,能够实现最大的检测分辨率,微机械陀螺性能显著提高.采用全差动工作方式相对于单端工作方式,可以有效的提高信噪比(SNR),并可以抑制共模噪声的干扰,并降低对高频载波的依赖度.在大气环境下,微机械陀螺的响应度为10 mV/deg,灵敏度为0.1°/S*Hz2.     

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.     

MEMS振动陀螺闭环自激驱动的理论分析及数值仿真

对采用AGC(automatic gain control)控制实现的陀螺闭环自激驱动系统进行了理论分析,利用平均技术和相平面法求解出了MEMS振动陀螺闭环自激驱动系统的起振条件以及幅度稳定条件的解析表达式,并进行了数值仿真验证。在该闭环驱动系统中,通过引入PI控制器消除了振动幅度控制的稳态误差。仿真结果很好地吻合了理论分析,理论分析结果可用于指导自激驱动系统的硬件实现。     

微石英音叉陀螺的方波驱动及解调电路研究

在分析微石英音叉陀螺的工作原理及电学特性的基础上,对微石英音叉陀螺的驱动电路和微弱角速度信号的提取方法进行了研究;论证了方波驱动的可行性,提出了在自激驱动回路中加入移相环节,使微石英音叉陀螺的驱动振动频率等于其机械谐振频率,分析了开关同步相敏解调在角速度信号的提取中的应用及其对噪声的抑制能力;设计并分析了一个用方波驱动微石英音叉陀螺,用开关同步相敏解调完成信号解调的电路,该电路结构简单,工作可靠,性价比高.     

（中国微米纳米技术学会文章）一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法及实验研究

本文针对硅微机械结构振动幅度由于封装难以计算机视觉测量及电学测量中的精度受接口电路参数影响的问题,在对静电梳齿驱动、平板电容检测的硅微谐振结构进行建模分析后,提出基于单边带电压比的电学测量振动幅度的方法并分析了测量方法的原理。实验表明研制的某硅微机械谐振加速度计在受迫振动下的振动幅度为0.25um,频谱分析还表明存在上电噪声引起的振动幅度,该测试方法还能应用于硅微谐振结构的谐振频率测量,同时为高品质因数的硅微机械谐振结构的可静电自激驱动提供了依据。     

振动式微机械陀螺驱动控制电路研究

本文分析了微机械陀螺检测灵敏度和驱动信号频率和幅度的关系,在此基础上提出了一种振动式微机械陀螺驱动控制环路方案并给出了相应的电路实现方法.它利用陀螺谐振时驱动信号和驱动模态位移信号具有900相位差这一特性,采用锁相方式完成驱动轴的稳频控制,恒幅控制环节则采用半波整流电路及后续的直流电压调整电路实现,从而完成了对驱动轴的锁相和恒幅双环路控制,保证了陀螺驱动轴的谐振和振幅恒定,有效的提高了陀螺的灵敏度和标度因子的稳定性.最后针对音叉电容式微机械陀螺进行的开闭环对比实验证明,添加控制环路的检测电路零偏稳定性提高了10倍左右.     

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。     

电容式微机械陀螺接口电路

接口电路是电容式微机械陀螺研制中的关键技术之一.给出了一种通用的电容式微机械陀螺接口电路方案.该方案包括电容检测和信号处理两个模块.相位相反幅度相同的两路高频载波加在敏感差动电容的两端形成敏感电桥,另一频率的高频载波叠加了驱动信号后加在驱动差动电容两端形成驱动电桥,质量块作为所有电容的公共端连接两电桥接虚地的放大器,构成前置电容检测模块;后续的带通滤波电路将驱动和敏感信号分离,各自解调滤波得到两个模态相应的振动信息,驱动振动对敏感振动再次解调即可得到和输入角速度信号成线性关系的直流电压.采用音叉电容式陀螺进行实验,结果表明该电路能够有效的能够有效的抑制寄生电容和各个接口电容之间电耦合的,电容分辨率可以达到10-15F.     

微型振动陀螺仪驱动电路的设计与优化

微陀螺驱动电压的频率和幅值稳定性是影响微陀螺工作性能的重要因素.针对微型振动陀螺仪的驱动电路设计问题,采用DSP的脉宽调制(PWM)功能发出正弦波,并采用闭环推挽式驱动控制方式,实现了驱动电压频率和幅值的高稳定性.同时对驱动电路中的带通滤波电路采用了最优化设计方法使得所设计的电路比原来的电路的带宽下降了50%.     

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。     

振动轮式微机械陀螺仪闭环驱动控制方法研究

本文在分析振动轮式微机械陀螺仪稳定工作条件的基础上,探讨了微机械陀螺仪对驱动电路的控制要求,提出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。     

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.     

电容式微机械陀螺双环路闭环驱动电路研究

为了提高微机械陀螺系统的检测灵敏度,对微机械陀螺系统的驱动电路进行了研究.分析了微陀螺闭环驱动系统理论,基于此提出一种双环路闭环驱动方法,并且利用数学工具simulink建立系统模型,验证此方法的可行性,最后设计完成相应电路.此方法引入锁相环实现闭环驱动电路的稳频控制;采用自动增益控制器(AGC)实现恒幅控制.利用Hspice完成电路级仿真.结果表明,微机械陀螺双环路闭环驱动电路建立稳定振荡的时间为45 ms,稳定振荡频率为2.7553 KHz,频率偏差为0.1 z,频率抖动为0.056563 Hz.相对于传统的AGC闭环驱动电路,此闭环驱动电路建立稳定振荡时间缩短了30.77%,频率稳定性是传统AGC闭环驱动电路的32.72%.微机械陀螺环路闭环驱动电路提高驱动信号性能,对于微机械陀螺检测灵敏度的提高有着重要意义.     

Research of a novel stereoscopic symmetrical quadruple hair gyroscope

This paper presents a novel stereoscopic symmetrical quadruple hair gyroscope (SSQHG) which is distinguished from the conventional flat structures to achieve better angular rate measurement performance. A symmetrical device architecture is designed to realize the differential detection of Coriolis force, thereby effectively eliminate the common mode interference. Four stereoscopic hair posts are adopted to increase the quality of the lumped inertia masses, so as to enhance the measurement sensitivity. A simplified mass-spring-damper model of idealized SSQHG is established and verified by a modal simulation to synthetic analysis the motion modal. A set of finite element method simulations including modal distribution simulation and harmonic response simulation are implemented to acquire accurate vibration information and to identify the structure parameters quantitatively. A micromachining procedure based on the standard deep dry silicon on glass is adopted to fabricate the proposed micro-gyroscope. The frequency response experiments indicate that the vacuum packaged prototype has a drive mode frequency of 536.2 Hz with a quality factor of 1319.7 and a sense mode frequency of 535.7 Hz with a quality factor of 1334.5. An analog closed-loop driving circuit is designed to realize the self-excited oscillation of SSQHG and an open-loop sensing circuit is designed to extract the Coriolis force signal. The preliminary experimental results demonstrate that the fabricated SSQHG prototype exhibits an angular rate sensitivity of 16.03 mV/°/s and a bias instability of 16.26°/h at room temperature.

     

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.     

Modeling and verification of the double frequency effect using a MEMS device

The derivation, verification, and implication of the nonlinear dynamic and frequency response of electrostatic actuator due to the double frequency effect (DFE) were reported in this study. In particular, an extra mode called half mode was observed and measured in various studies. However, a complete in-depth discussion of the effect was not reported in the past. In the present study, a second-order dynamical equation was adapted firstly to model the dynamic and frequency response of electrostatic actuator where typical harmonic input signal with a dc bias was used. Secondly, by solving the equation, complex waveform in dynamic response and an extra half mode in frequency response due to the double frequency effect can be observed and discussed. To verify the simulated result, an electrostatic driving device was fabricated using PolyMUMPS^© process. Note that in frequency response, when dc bias is equal to the amplitude of ac signal, simulated and experimental results indicated that the amplitude of half mode was one-fourth of first mode.     

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。