大气下工作的微机械陀螺的设计及其噪声特性

设计了一种基于体微机械加工技术的新型音叉式微机械陀螺.该陀螺在驱动模态和检测模态的空气阻尼均为滑膜阻尼,有效提高了微机械陀螺的Q值和灵敏度,同时降低了陀螺的热机械噪声.对陀螺噪声特性进行的分析表明,该陀螺具有相对很低的热噪声.制作了陀螺芯片,并测试了其机械性能和噪声特性.结果表明,该陀螺的噪声谱密度不超过60μV/Hz,灵敏度为10mV/(°·s-1).该微机械陀螺有望实现较高的角速度分辨率.     

基于滑膜阻尼的间接连接型音叉式微机械陀螺

以提高微机械陀螺性能为目的,设计了一种新颖的音又振动式微机械陀螺.该陀螺的特征在于:驱动和检测模态都是面内的,主要的空气阻尼是滑膜阻尼,使系统具有较低的能量损失和较高的Q值;对称的音叉式结构使检祆测电容加倍,并且由于中间结构的采用,对于加工误差具有较好的健壮性;采用驱动和检测方向具有较大刚度比的近似U型梁,使机械耦合大大降低.动力学分析的结果表明,该陀螺具有较高的稳定性和灵敏度.这不仅为获得高性能微机械陀螺提供了一种可行的设计方案,同时也为其它MEMS产品的设计提供了重要的参考价值.     

电容式z轴微机械陀螺的噪声抑制

将z轴微机械陀螺两个模态的机械噪声效应等效为各自在单位噪声力作用下的振动,根据陀螺的工作原理得到两个噪声力作用下陀螺敏感模态的机械输出噪声。建立了包含运放和电路板非理想因素在内的接口电路的噪声模型。结合机械噪声模型和接口电路模型噪声,建立了包括结构参数和电路最小检测电容量在内的陀螺的噪声等效输入角速度模型,为陀螺的设计优化提供了参考。分析了结构参数对陀螺等效输入角速度噪声影响,并采用两个参数不同的电容式z轴微机械陀螺进行了实验。结果表明,通过结构参数的调整,将电容式z轴微机械陀螺的输出噪声从414μV/Hz降低至235μV/Hz。     

微机械速率陀螺原理和关键技术

介绍了微机械速率陀螺的基本原理，数学模型和关键技术，它采用半导体微细加工工艺，具有非常小尺寸，低成本，长寿命和高可靠性等优点，能满足战术导弹和汽车应用。     

微机械陀螺振动特性的等效电学模拟

根据微机械陀螺的动力学方程建立其振动特性的等效电路模型,该模型用电路模拟工具PSPICE实现。利用这个电路模型,可以分析陀螺的振动特性,包括检测振动的瞬态响应和稳态响应,检测振动对输入角速度的频率响应特性,从而可以获得陀螺工作的优化条件;并为传感器与接口电路的整体模拟打下基础。     

电磁驱动电容检测微机械陀螺的设计

介绍了一种电磁驱动电容检测微机械陀螺的结构和工作原理。该陀螺的突出优点在于驱动和检测采用了相互独立的折叠梁和振动质量 ,故驱动和检测间的耦合大大地减小。本文从理论上分析了折叠梁结构参数对振动模态频率的影响 ,并针对初步确定的结构尺寸 ,利用COVENTERWARE软件进行了静力学和动力学分析 ,对理论计算结果进行了验证     

电磁驱动电容检测微机械陀螺的设计

介绍了一种电磁驱动电容检测微机械陀螺的结构和工作原理.该陀螺的突出优点在于驱动和检测采用了相互独立的折叠梁和振动质量,故驱动和检测间的耦合大大地减小.本文从理论上分析了折叠梁结构参数对振动模态频率的影响,并针对初步确定的结构尺寸,利用COVENTER WARE软件进行了静力学和动力学分析,对理论计算结果进行了验证.     

微机械音叉陀螺外围电路研究及仿真

介绍一种微机械音叉陀螺外围电路的基本结构及各组成部分的工作原理。针对机械敏感单元设计了陀螺的外围电路，通过系统分析，建立了数学模型，并利用Matlab对整个模型进行行为级仿真，验证所设计电路的可行性。仿真结果为电路的设计、调试提供了有利的分析方法和手段，具有一定指导意义。     

旋转载体用硅微机械陀螺的敏感元件

介绍了旋转载体用硅微机械陀螺的敏感原理,计算了硅振动单元振动摆角和敏感电容的关系。介绍了旋转载体用硅微机械陀螺敏感元件的结构和利用双面多次光刻、腐蚀等微机械工艺加工得到硅振动单元的工艺过程。对制作的4个敏感元件的电容进行静态测试,得到4个敏感元件各自电容的静态值,它们之间有所偏差。     

硅微陀螺仪接口位移噪声对检测性能的影响

研究了基于调制解调的硅微陀螺仪检测信号提取原理,推导了开环检测传递函数。根据调制解调的频谱转移特性,提出了有效位移噪声是高斯窄带噪声。推导了开环检测时位移噪声的等效角速度公式,分析表明,要提高噪声性能可以减小噪声功率密度、带宽和增加陀螺仪机械灵敏度。同时还推导了闭环检测时位移噪声的等效角速度公式。通过比较开环检测和闭环检测情况下由接口位移噪声导致的噪声等效角速度表明:闭环检测并不能减少由接口位移噪声导致的平均噪声等效角速度。据此设计实际电路,试验结果表明在100Hz频段内,闭环检测噪声谱密度基本等于开环检测噪声谱密度,验证了理论的正确性。     

石英微机械陀螺敏感器件减振设计

石英微机械陀螺敏感器件在多轴陀螺应用中,各敏感器件之间存在振动干扰,导致陀螺噪声过大,输出信号中存在低频信号,无法满足使用要求。应用减振技术设计了一款集成式的减振器,该减振器具有体积小、质量轻等特点。利用有限元法模拟计算减振器减振效率及固有频率,该减振器在敏感器件激励频率范围内减振效率大于96%;减振器转动振动模态固有频率大于陀螺带宽(150Hz)的两倍以上;减振器低阶线性振动模态固有频率大于敏感器件检测频率与激励频率之差(340Hz)的两倍以上。     

杠杆耦合式微机械陀螺仪特性分析

基于机械杠杆的位移放大效应,提出了一种具有微杠杆结构的电容检测式微机械陀螺结构,所设计的杠杆放大机构设置在陀螺的检测模态中,通过杠杆将科氏质量块的检测位移放大传递到检测框上,以提升检测位移。建立杠杆结构陀螺的二阶振动微分方程,分析了杠杆结构对微机械陀螺结构静刚度和固有频率的影响,探讨了在不同结构条件下杠杆结构对检测位移的放大效果。通过仿真验证了理论的准确性与可行性,结果表明,在陀螺谐振情况下,可有效增大检测框位移60%以上,提升了检测位移,进而提升检测灵敏度。     

一种具有隔振框架的解耦硅微陀螺

提出了一种利用隔振框架解耦的硅微陀螺,其驱动模态和检测模态不仅有各自独立的支撑结构,还有各自独立的惯性质量块,隔振框架隔离了驱动结构和检测结构,减小了模态之间的交叉耦合;利用TMAH湿法腐蚀结合深反应离子刻蚀工艺,在n型〈100〉低阻硅片上制作出了微陀螺样片,并为其研制了配套的测控电路;测试结果表明,驱动模态频率为2.981kHz,品质因子为800,检测模态频率为2.813kHz,品质因子为34,刻度因子为38mV/(°/s),线性度优于0.8%,微陀螺在0.5h内的零偏稳定度为0.28°/s.     

一种具有隔振框架的解耦硅微陀螺

提出了一种利用隔振框架解耦的硅微陀螺,其驱动模态和检测模态不仅有各自独立的支撑结构,还有各自独屯的惯性质量块,隔振框架隔离了驱动结构和检测结构,减小了模态之间的交叉耦合;利用TMAH湿法腐蚀结合深反应离子刻蚀工艺,在n型<100>低阻硅片上制作出了微陀螺样片,并为其研制了配套的测控电路;测试结果表明,驱动模态频率为2.981kHz,品质因子为800,检测模态频率为2.813kHz,品质因子为34,刻度因子为38mV/(°/s),线性度优于0.8%,微陀螺在0.5h内的零偏稳定度为0.28°/s.     

磁悬浮转子微陀螺的微细加工工艺研究

介绍了磁悬浮转子微陀螺的工作原理及有关的微细加工工艺。磁悬浮转子微陀螺的平面线圈是采用光刻、电镀及溅射等微细加工方法来实现的,微转子的加工有冲压、蒸铝沉积等方法,其中冲压能得到质量较好的微转子;上壳体采用体硅腐蚀来制作。初步的实验表明该方案是行之有效的。     

Z轴硅微机械陀螺仪温度特性研究

硅陀螺仪是近年来发展起来的一种新型角速度传感器,温度变化是其主要误差源之一.分析了温度变化对硅微陀螺仪的谐振频率和品质因数的影响,并选择常温下机械品质因数不同的两个陀螺在-40℃～80℃温度范围内进行测试,得出机械品质因数和谐振频率随温度变化规律.实验结果验证了陀螺仪谐振频率随温度升高而线形下降;温度变化时,封装陀螺仪抽真空度对陀螺机械品质因数产生明显影响.     

旋转载体用硅微机械陀螺的相位研究

介绍了利用旋转载体自身旋转作为驱动力的硅微机械陀螺的相位提取技术。当陀螺的敏感轴平行于载体偏转平面时，硅摆所受的哥氏力最大，输出为正弦信号的峰值；当它的敏感轴和偏转平面垂直时，输出为正弦信号的零值。因此，以载体的自转信号为基准，通过比较输出信号波峰在输入基准坐标中相位的变化可知敏感轴的方向，进而能够确定旋转平面及载体在空间中的偏转方向。     

旋转载体用硅微机械陀螺的相位研究

介绍了利用旋转载体自身旋转作为驱动力的硅微机械陀螺的相位提取技术。当陀螺的敏感轴平行于载体偏转平面时,硅摆所受的哥氏力最大,输出为正弦信号的峰值;当它的敏感轴和偏转平面垂直时,输出为正弦信号的零值。因此,以载体的自转信号为基准,通过比较输出信号波峰在输入基准坐标中相位的变化可知敏感轴的方向,进而能够确定旋转平面及载体在空间中的偏转方向。