锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺的结构设计与振动分析EI北大核心CSCD

设计了锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺,分析了结构的模态顺序与振动灵敏度特性。所设计的结构驱动方向采用反平行杠杆机制,检测方向使用四根线弹性梁连接的锚点耦合圆环梁,实现了驱动方向和检测方向模态顺序的优化,其检测方向的同相频率比反相频率提高了30%。建立了音叉式陀螺的二阶振动微分方程,利用坐标变换法得出锚点耦合式比传统耦合式结构的反相和同相振动输出分别降低了74.8%与88.0%,并进行了Ansys仿真分析验证。在不牺牲陀螺灵敏度的前提下,锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺能够很好地实现模态优化和大幅降低振动输出误差。     

音叉振动式微机械陀螺弹性梁的研究

以一种音叉振动式微机械陀螺为研究对象,建立了四自由度微机械陀螺动力学模型,重点分析了驱动微弹性梁和检测微弹性梁刚度较大方向的微弹性系数对微机械陀螺动力学性能的影响.设计了三段检测梁和两段驱动梁并推导出其微弹性系数公式,建立了微弹性梁的评价函数,通过实例解析对微机械陀螺动力学性能进行了优化.结果表明:优化后的微机械陀螺具有较好的健壮性和较高的灵敏度.此研究结果适用于音叉式微机械陀螺,而且对其它MEMS器件的设计具有重要的参考价值.     

一种全对称微机械陀螺的双级解耦机构特性

为了实现微机械陀螺的频率匹配和双级解耦,提出了一种全对称双级解耦结构体硅微机械陀螺.该陀螺结构完全对称,容易实现驱动和检测模态谐振频率的匹配,提高系统灵敏度.驱动和检测方向的主要阻尼均为滑膜阻尼,在常压下工作也可以获得较高的品质因子,避免了器件的真空封装.利用4组十字折梁,实现了结构的双级解耦.仿真结果表明,模态之间的耦合系数小于0.17%.采用体硅微机械加工技术制作了样品,关键工艺有硅-玻璃阳极键合和DRIE技术.基于计算机图像技术对微机械陀螺进行了测试,验证了陀螺的解耦功能,在常压条件下测得该陀螺的品质因子为195,灵敏度为8.031 mV/（（°）.s^-1）.     

驱动刚度非线性对双检测微陀螺性能的影响

驱动刚度非线性的存在会导致幅频曲线出现典型的非线性硬化特性,从而影响双检测微陀螺检测输出信号和灵敏度的稳定性。为对比线性刚度和非线性刚度对微陀螺检测输出的影响规律,首先求解线性刚度下系统的稳态响应,其次采用多尺度法求解非线性动力学方程的近似周期解,并考虑科氏力对检测输出的影响,在此基础上探讨驱动刚度立方非线性对双检测微陀螺系统主共振的幅频曲线、共振频率、灵敏度的影响规律。研究发现:驱动模态共振频率与刚度非线性及振动峰值密切相关;刚度非线性越强,固有频率的漂移量对振幅的变化就越敏感。较弱的驱动刚度非线性就会导致检测一和检测二在驱动模态频率处的幅值大幅下降,由此对微陀螺的输出信号产生极大影响,降低了微陀螺检测信号的稳定性,并与基于线性设计的灵敏度值产生极大的偏差。     

电容式硅微机械陀螺仪结构设计及仿真

通过对微机械陀螺的调研分析,提出了一种新型微机械陀螺仪,并对陀螺进行了结构设计.该结构采用静电梳齿驱动、栅结构电容检测,使陀螺具有较高灵敏度.驱动模态和检测模态均为滑膜阻尼,能够实现较高的Q值,且具有一定的解耦特性.文中通过仿真分析得到了结构的各阶频率,使陀螺驱动模态和检测模态固有频率匹配,验证了结构的合理性.结合现有...     

微陀螺动力学建模与非线性分析

建立了微陀螺的动力学模型,采用多尺度方法对微陀螺的非线性模型进行求解,探讨了驱动微弹性梁和检测微弹性梁的非线性刚度对微陀螺输出的影响规律,研究了微陀螺的带宽在非线性刚度作用下的设计原则,结果表明:微陀螺振动系统的检测灵敏度和带宽呈反比关系;微弹性梁的非线性刚度会使得输入角速度与检测输出呈非线性关系。因此,从微弹性梁的设计角度出发,可根据较大的输出或者较小的非线性要求选取合适的驱动微弹性梁;而检测微弹性梁则需要选取较小的非线性刚度。     

新型谐振式硅微机械加速度计

制作出一种新型结构的谐振式硅微加速度计，其输出频率信号可以克服微机电系统器件输出微弱信号检测的困难、采用双端固定音叉作为谐振器，在加速度作用下，质量块的惯性力通过悬臂梁施加于音叉轴向，利用音叉谐振频率的变化测量加速度．在每个音叉臂上制作了梳齿结构，用梳齿间的静电力激励音叉产生谐振，并利用其构成的电容检测其振动频率．该加速度计采用体硅工艺制作，文中给出了工艺流程、用有限元方法仿真估算，得到传感器的灵敏度约为2／gHz．     

基于锁相技术的微机械陀螺闭环驱动电路

传统的闭环驱动电路其输出信号的频率与微机械陀螺驱动方向的固有频率存在一定偏差,且频率抖动较大,系统的建立时间较长．基于上述不足,在分析微机械陀螺闭环驱动方式工作原理的基础上,提出一种基于锁相技术的闭环驱动电路方案,电路进入稳定工作状态时,交流驱动电压与驱动方向敏感电流的相位及频率一致．微机械陀螺在驱动方向谐振,显著改善了输出信号的频率特性．仿真结果表明,这种闭环驱动电路输出信号频率与微机械陀螺驱动模态固有频率完全一致,频率抖动及系统建立时间分别是传统闭环驱动电路的38％和50％．通过实验验证了该方法的可行性     

微机械隧道陀螺的振动特性测试

结合微机械陀螺仪和隧道效应的特点,提出了角振动微机械隧道陀螺仪的工作原理和结构设计方案。针对微机械陀螺的驱动和检测在面内和面外的结构特点,制定了图像处理法、静电力阶跃激励法和机械激励法等振动特性测试方法,在大气环境下分别对隧道陀螺仪驱动和检测模态的振动特性进行了测试,得到了相应的谐振频率,采用不同的方法得到的结果基本一致。     

电磁驱动微机械陀螺接口电路的研究

电磁驱动电容检测的力平衡微机械陀螺相对于压阻检测等方式的其他形式的微机械陀螺来说,具有高灵敏度及高精度的突出优点,但是其接口电路也比较复杂.这一接口电路从功能上可分为驱动电路和检测电路两个部分:驱动电路的主要功能是使微机械陀螺产生在驱动模态固有频率下的振幅稳定的正弦振动;检测电路的主要功能是拾取陀螺所产生的角速度信号....     

一种新型微机械陀螺的研究

设计了一种检测模态和驱动模态具有相近品种因子的微机械陀螺。这种我们称之为栅型结构的陀螺由悬空弹簧将具有栅条的检测质量块与衬底相联。计算结果表明,这种器件在大气压条件下其驱动模态和检测模态的品质因子几乎同为140。同时,计算结果还表明可以获得比较平坦的较大带宽。采用硅－玻璃键合和深反应离子刻蚀技术制作了这种器件。     

具有栅结构与静电梳齿驱动的电容式微机械陀螺的仿真、设计与测试

电容式陀螺仪是一种振动式陀螺仪,由于加工的特殊性使其具有了传统的陀螺无法比拟的优点,从而拓宽了其应用领域.为了提高陀螺仪的检测精度,本文提出了一种静电梳齿驱动、栅结构的电容式检测的微机械陀螺仪的设计方法,并分析了其工作原理.运用ANSYS软件对陀螺结构进行了仿真和模态分析,仿真结果与理论计算结果相接近.所设计的陀螺结构采用体硅标准工艺方法进行了设计,并对其进行了流片加工和封装,最终得到了电容式微机械陀螺仪.实验测试的结果表明,陀螺驱动模态的固有频率为4.06kHz,灵敏度为0.027 9 v/((°)s-1).     

新型摇摆质量微陀螺的设计与制作(英文)

首先介绍了两种结构完全对称的高灵敏度的摇摆质量陀螺.设计并制作了一种对角驱动的新型摇摆质量微陀螺.利用硅的各向异性湿法腐蚀等MEMS体加工技术,简化了该微陀螺的制作工艺.该微结构的对称性、一致性和加工精度有很大改善,尤其是振动梁、激励部件和敏感部件等关键部件.详细阐述了该微陀螺的工作原理和结构设计,完成了微陀螺关键部件的制作和样机组装.利用NF公司的FRA 5087频率响应分析仪测试了样机大气下的振动模态,其中驱动频率为5.563 2 kHz,检测频率为5.553 4 kHz,频差为9.8 Hz,小于0.2%.利用频谱分析的方法测试了样机的哥氏力.测试结果表明这种摇摆质量微陀螺的设计与制作方法是可行的.     

静电驱动下振梁微陀螺仪的性能分析

研究了一种末端带有检测质量块的单轴静电悬臂梁式微陀螺仪。检测质量块受到两个固定电极的耦合作用,这两个电极均连接直流电压以使质量块产生较大的静态变形。在驱动方向上的电极还受到交流电压的作用,驱动质量块产生主振动。当有旋转发生时,在垂直于主振动的敏感方向上质量块会受到科氏力而产生1个二次振动,通过测得二次振动的幅值大小便可以测得角速度。首先,依据Hamilton原理建立了振梁微陀螺仪的控制方程,研究了旋转悬臂梁的两个横向耦合振动。其次,分析了多种参数对微陀螺仪静态变形的影响,并求得了系统前2阶固有频率。研究发现不同参数对系统固有频率的影响规律,并讨论了系统驱动和敏感方向上的动力学放大效应及其校正曲线。     

载体加速度对静电驱动微机械陀螺响应的影响分析

载体的运动会导致微机械陀螺的响应发生变化,因而引起测量误差,甚至导致系统故障。针对载体运动对微机械陀螺响应的影响开展研究。考虑载体运动以及微陀螺的非线性支承刚度和非线性静电力,基于拉格朗日方程建立了系统的动力学方程。利用谐波平衡法结合留数定理求解了含分式非线性项的系统的周期响应,研究了载体加速度对系统响应特性的影响,发现驱动方向的载体加速度主要导致系统的灵敏度降低。检测方向的载体加速度除使得系统灵敏度降低,还会导致零偏,且零偏和加速度的大小成正比,但比例系数与驱动电压无关。驱动电压较小时,载体在检测方向较小的加速度对灵敏度和非线性度影响很小;而在驱动电压或者检测方向加速度较大时,系统的灵敏度急剧下降,且非线性度也发生了剧烈变化。     

单芯片集成加速度计陀螺的研究

讨论单片集成加速度计陀螺的结构及其工作原理，并对单结构加速度计陀螺的加速度信号和陀螺信号的分离进行了阐述．在以往的微型惯性测量组合中，加速度计和陀螺是分离的，这样将产生较大的轴间耦合误差．设计了双质量块振动系统，利用一个敏感头同时测量加速度和陀螺信号．在此基础上讨论了陀螺的驱动电路与信号检测电路．     

三自由度水平轴硅微机械陀螺结构设计与仿真

为了兼顾测量带宽和灵敏度的要求，提出了一种三自由度水平轴硅微陀螺系统，此系统由3个质量块组成。质量块2与质量块3组合后与质量块1构成了一个二自由度驱动方向的谐振器，再利用该谐振器进行动力学放大，得到非谐振状态下的大驱动振幅．陀螺驱动频率响应曲线有两个谐振尖峰，在两峰值之间存在一个较平坦的区域，当陀螺驱动工作在频率响应曲线的平坦区域时，机械增益虽然比工作在谐振尖峰处小，但机械增益受频率变化的影响减小，驱动频率的工作带宽增加，使得对驱动的控制要求相对宽松．文中给出了动力学放大原理及所设计的陀螺结构的理论计算和仿真值．     

检测刚度非线性对双检测微陀螺灵敏度稳定性影响

为揭示刚度非线性对双检测微陀螺灵敏度稳定性及精度的影响规律,利用复指数法求解双检测方程线性稳态响应,采用多尺度法对非线性动力学方程进行摄动分析,并考虑科氏力对检测输出的影响,提出了一种有效的处理高维非线性方程耦合项的方法,在此基础上探讨检测刚度非线性对双检测微陀螺的幅频曲线、共振频率偏移的影响规律。研究发现:检测的刚度非线性造成检测一和检测二的幅频曲线出现硬化、振幅跳跃、多解及共振频率偏移等复杂非线性行为,导致微陀螺灵敏度失稳;微陀螺灵敏度的稳定性及失稳的带宽范围对刚度非线性十分敏感,当刚度非线性达到某一值时其微小的增长都会严重影响微陀螺的灵敏度的稳定性并使失稳的带宽范围显著增加,如此会导致线性系统设计的失效。     

静电驱动压阻检测微机械陀螺仪的研究

对静电驱动压阻检测微机械陀螺仪进行了结构设计并对工作原理进行了介绍．与硅压阻器件相比,本文利用多势垒纳米膜所具有的压阻效应作为检测方式,实现了较高的压阻灵敏度;采用硅基异质外延砷化镓薄膜工艺进行陀螺结构以及多势垒纳米膜器件的加工,较好地实现了工艺的兼容．通过对结构进行模态仿真,确定了陀螺的固有频率．     

微机械隧道陀螺仪的设计

提出了一种高精度低量程复合梁结构的新型隧道电流式陀螺仪,采用标准硅微加工技术进行了设计与加工,实现了隧道效应传感器的高灵敏度与哥氏力测量角速度原理的结合,从力学角度对陀螺仪的驱动梁与检测梁的力学特性进行了分析,对陀螺的基本原理进行了必要的模态和静力学仿真,仿真结果满足驱动与检测模态的要求。另外,制定了切实可行的工艺流程,阐述了加工所需要的关键工艺,重点研究了隧尖制造技术。