Si MEMS陀螺仪的正交耦合补偿技术

为了减小正交耦合误差对硅微电子机械系统(MEMS)陀螺仪性能的影响,提高陀螺仪零偏精度,对MEMS陀螺仪正交耦合补偿技术进行研究.建立MEMS陀螺仪动力学模型,分析正交耦合产生的原因,介绍了各类正交耦合补偿机理.设计了一款可实现静电刚度补偿的MEMS陀螺仪,并利用绝缘体上硅(SOI)工艺进行制备.利用现场可编程门阵列(...     

MEMS陀螺仪振动特性分析及性能优化北大核心

谐振式MEMS陀螺仪在随机振动中会发生性能退化,主要表现形式为噪声增大、零偏变化及标度因数降低。研究了陀螺仪的振动模态,发现当正交耦合和电容不对称时,检测模态及检测同相模态极易被激发。被激发的两种信号会占用有限的C/V检测信道,引起信道饱和,造成标度因数变小,同时还会引起振中噪声变大和零位变化。从加工工艺和MEMS设计两方面提出提高陀螺仪振动性能的方法。优化后陀螺仪振中噪声降为优化前的1/10,振中零位差降为原来的1/5,标度因数降低的现象完全消失。     

高精度MEMS硅微陀螺仪正交误差设计

正交误差是影响振动式硅微陀螺仪测量精度的主要因素之一,设计并制备了一种具有正交误差校正功能的高精度振动式微电子机械系统(MEMS)硅微陀螺仪。阐述了振动式硅微陀螺仪的工作原理,分析了正交误差产生的机理,并介绍了正交误差对陀螺仪测量精度的影响。为了进一步提升陀螺仪的测量精度,利用直流负刚度校正法对陀螺仪正交误差进行了校正,并通过有限元仿真确定了高精度陀螺仪敏感结构的最优参数。利用圆片级真空封装技术和绝缘体上硅(SOI)工艺实现了高精度陀螺仪敏感结构芯片的制备,采用高密度LCC20陶瓷管壳实现了高精度陀螺仪的集成封装。陀螺仪封装后,整体尺寸为9.0 mm×9.0 mm×2.8 mm。测试了陀螺仪的性能参数。测试结果表明,陀螺仪量程为±500°/s,零偏不稳定性为1.052°/h,零偏为0.004°/s,能够满足陀螺仪大部分中低精度应用需求。     

MEMS陀螺仪零偏温度特性分析及性能优化北大核心

零偏温度漂移是MEMS陀螺仪主要误差源之一,对MEMS陀螺仪零偏温度漂移误差源进行了分析。检测电路中延时相位的漂移是引起MEMS陀螺仪零偏温度漂移的主要原因。自时钟技术基于锁相环原理,将MEMS陀螺仪的驱动频率作为锁相环参考频率。陀螺仪检测电路的系统时钟频率跟随MEMS陀螺仪驱动频率而变化,两者始终保持固定的比例关系,最大限度地消除了延时相位变化。使用自时钟技术,将MEMS陀螺仪零偏温度漂移减小为原来的2%。     

全屏蔽硅基腔体MEMS双工器

基于三维高精度微电子机械系统(MEMS)加工工艺,研究了一种全屏蔽硅基腔体MEMS双工器的设计及制备方案。简要分析了关于平行耦合线滤波器的相关设计原理,采用λ/4平行耦合线设计两通道滤波器,结合T型匹配网络实现双工器的设计。该双工器以双层高阻硅片作为衬底材料,采用MEMS工艺制备接地通孔,以提高双工器的隔离度及电磁兼容特性。设计的双工器发射通道工作频率为9～10 GHz,接收通道工作频率为11～12 GHz,最终制备出尺寸为7 mm×7 mm的双层硅基双工器,发射及接收通道的回波损耗≤-18 dB,两个通道之间的隔离度约为-30 dB。测试结果与仿真结果吻合较好,为硅基MEMS微系统的集成设计提供技术支撑。     

FA优化BP神经网络的MEMS陀螺仪温度漂移补偿

微电子机械系统(MEMS)陀螺仪输出易受环境温度的影响,产生温度漂移,测量精度降低,为解决这个问题,提出一种萤火虫算法(FA)优化BP神经网络的温度漂移补偿方法,在传统的BP神经网络中,存在易陷于局部极值的问题可能降低建模精度甚至导致建模失败,而此方法可以避免这个问题。首先在全温区(-40℃～+70℃)选取7个温度点进行测试,接下来采用该方法建立MEMS陀螺仪温度漂移模型并进行实际验证,验证结果表明该方法可以明显降低MEMS陀螺仪温度漂移,且相比于传统BP神经网络,其补偿效果也有较大幅度提升。     

MEMS环形振动陀螺结构设计与仿真分析北大核心

针对轴对称壳形振动陀螺的工作机理与振动特性,提出了一种新颖的全对称U型梁MEMS环形波动陀螺,并分析了其工作原理、振动特性与敏感工作方式。在此基础上应用ANSYS有限元分析软件建立了该环形振动陀螺谐振结构的有限元模型,分别进行了模态分析、谐响应分析、瞬态冲击响应分析与静力分析。仿真分析结果显示该环形陀螺驱动与敏感模态固有频率的频差为33 Hz,工作模态的频率匹配性较好;工作模态与其他振动模态的最小频差为1 032 Hz,能够有效抵抗环境振动的干扰;谐振结构在10 000g的瞬态冲击作用下最大应力为39.5 MPa,可以正常稳定工作。     

侵彻姿态测量中MEMS陀螺仪结构仿真与冲击实验

弹体在高速侵彻过程中的姿态偏转是影响其效能的重要因素,利用微电子机械系统(MEMS)陀螺仪进行姿态测量是监测弹体姿态变化的主要手段.针对侵彻弹体姿态测量对MEMS陀螺仪提出的抗高过载要求,采用结构仿真和冲击实验的方法对国产MEMS陀螺仪进行了抗高过载研究.在结构仿真中,利用ANSYS有限元软件对MEMS陀螺仪敏感结构进...     

MEMS陀螺仪抗冲击设计技术

为了提高微电子机械系统(MEMS)陀螺仪的抗冲击能力,设计了一种抗冲击保护结构。通过建立陀螺仪结构双自由度冲击模型,推导出陀螺仪结构和冲击保护结构的冲击响应方程,分别对陀螺仪和冲击保护结构进行详细的位移与加速度响应的理论推导。根据理论推导在Matlab上对位移和加速度响应随影响因素的变化进行仿真分析,并对有无冲击保护结构的陀螺仪抗冲击能力进行对比分析。仿真分析表明增加冲击保护结构后陀螺仪的抗冲击能力至少提高了3倍,验证了设计的冲击保护结构的有效性。实验表明冲击频率越接近陀螺仪的固有频率,冲击响应越大,梁越容易发生断裂失效。     

MEMS微陀螺仪研究进展

回顾了MEMS微陀螺仪的研究进展,简单介绍了MEMS微陀螺仪的市场应用。微陀螺仪是MEMS器件中非常重要的一类器件。它的运用已经从单纯的航空领域逐渐转向汽车、消费电子行业等低端市场,这意味着微陀螺仪除了传统意义上的高精度高稳定性的要求,也可以向低精度商品化发展。传统的振动式陀螺,由于原理的局限性和加工技术的限制,很难达到战术级和惯性级的要求。导航级集成微陀螺(NGIMG)项目建议使用其他途径,以减少器件的可移动部件和降低工艺难度,从而提高其精度和抗干扰能力。各种设计方法近年来层出不穷,其中悬浮转子式微陀螺是目前精度最高的陀螺仪,微集成光学式陀螺也将在未来一段时间拥有巨大的研究潜力和发展空间。     

MEMS陀螺仪ΣΔ闭环系统优化设计

为解决传统ΣΔ闭环控制系统存在的量化增益不可控问题,设计了基于3-level量化技术的改进系统;针对此系统应用于微电子机械系统(MEMS)陀螺仪时引入的非线性反馈误差,提出了一种调整反馈脉冲宽度的矫正技术;并基于课题组研制的新型类蛛网环式谐振陀螺仪验证了改进系统的实用性。首先采用Simulink建立了四阶机电耦合ΣΔ系统等效模型,理论分析与仿真结果表明,3-level量化技术在降低量化噪声的同时解决了量化增益不可控问题,进而有效提高了陀螺仪量程和噪声水平性能。然后基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)设计制作了相应的数字测控电路,实验结果显示,陀螺仪的角度随机游走由0.094°/√h降低为0.062°/√h,量程由100°/s提高到130°/s,系统性能得到了有效提升。     

MEMS加速度计的误差补偿方法北大核心

温度误差和非线性误差是影响MEMS加速度计精度、限制其应用领域的两个重要因素。研究了国内外MEMS加速度计误差补偿方法,分析了MEMS加速度计的温度误差和非线性误差来源。为了消除一款50g量程的数字式MEMS加速度计的误差,采用分段线性拟合插值法进行了零偏温度补偿;同时采用基于预测模型的分段插值法对加速度计的非线性误差进行了校正。测试结果表明,经过补偿后,加速度计全温区(-40℃~60℃)零偏变化量从33.95mg提升到了1.02mg,标度因数温度系数从4.205×10^(-5)/℃提升到了0.74×10^(-6)/℃,满量程非线性度从1.010 022×10^(-2)提升到了1.479 9×10^(-4)。该方法算法简单,效果显著,适合于工程应用。     

MEMS传感器现状及应用

MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。其次,对MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEMS传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEMS压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEMS传感器的发展趋势进行了展望。     

一种基于微熔技术的MEMS大量程压力传感器北大核心

基于半导体硅的压阻效应,研制了一种MEMS大量程压力传感器。为了实现大量程压力测量,采用了不锈钢材质制作了压力敏感膜片。利用有限元分析软件对传感器敏感芯体进行了结构建模仿真分析和优化设计。采用玻璃微熔技术将敏感电阻粘结固定在不锈钢敏感膜片上。利用成熟的微电子机械系统（MEMS）加工工艺,完成了可以在高温下工作的绝缘体上硅（SOI）敏感电阻的制作。采用激光焊接方法将敏感芯体焊接到传感器基座上,提高了结构的机械强度。信号调理采用了压力信号专用集成电路（ASIC）,具有高精度的放大和温度补偿功能。完成了整体封装和调试后,对压力传感器的主要性能指标进行了测试,结果表明压力传感器的工作温度为-55～150℃,压力量程0～42MPa,精度〈0．5％。     

基于四螺旋梁-质量块的MEMS压电能量采集器北大核心

设计了一种四螺旋悬臂梁-质量块结构的压电能量采集器,将环境振动能转换为电能。采用有限元分析软件（COMSOL Multiphysics）建立结构模型,仿真结构固有频率,计算不同振动频率下器件的位移、应力、应变和电势以及不同加速度下的电压输出,仿真得到结构的一阶谐振频率为102 Hz,为后期测试提供指导。利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅（PZT）压电薄膜的制备,通过微电子机械系统（MEMS）工艺和引线键合工艺完成器件结构制造,将四个螺旋梁上的压电单元串联以实现输出最大化。性能测试结果表明：器件固有频率为110 Hz,输出电压随加速度的增大而线性增大,3g加速度下输出电压峰峰值为140 m V。     

MEMS陀螺仪的研究现状与进展

MEMS陀螺仪是MEMS传感器中应用最广泛的器件.当今信息智能时代的发展为MEMS陀螺仪带来新的发展机遇,使MEMS陀螺仪进入更高精度和更高可靠性的新的发展阶段.从微结构、电子学控制、工艺平台和集成应用四个方面综述了MEMS陀螺仪的最新进展.对MEMS陀螺仪分别按简并和非简并工作模式;速率陀螺仪的机械化和全角机械化;体...     

RF MEMS开关的研究进展及其应用北大核心

射频微电子机械系统（RF MEMS）开关是射频电子系统中的关键器件,首先简要介绍了RF MEMS开关的结构特点及分类方式,综述了RF MEMS开关的发展现状,列举了国内著名科研机构具有代表性的成果,并对比了其结构特点及性能参数,指出国内RF MEMS开关正向着小体积、宽频化、低驱动电压、高性能指标的方向发展。此外,还阐述了RF MEMS开关在多位移相器、可调滤波器、可重构天线等方面的应用,其在与多器件的集成和联合运用中潜力巨大。最后,分析了现有的RF MEMS开关的发展瓶颈,并展望了其以设计新结构、探寻新材料、探索新工艺、多种驱动方式相结合、多器件相集成为未来发展新方向。研发制作新的RF MEMS开关及其功能系统必将会对射频微波领域造成巨大影响。     

一种振动测量用电容式硅基MEMS加速度计

为了解决目前微电子机械系统(MEMS)加速度计在振动测量领域量程小和振动测量精度低等问题,基于绝缘体上硅(SOI)加工工艺,设计并制作了一款梳齿电容式MEMS加速度计。通过提高工作模态频率和干扰模态频差,提升了加速度计振动环境适应性;加速度计量程达到±50g,非线性度0.2%,横向灵敏度0.17%,分辨率优于0.5mg,体积9 mm×9 mm×2.7 mm,功率损耗30 mW。针对随机振动环境对加速度计的输出精度进行了实验验证,结果表明,MEMS加速度计与标准传感器的输出误差为2.69%,能够满足大部分工程应用需求。     

大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的设计与研究

分析了MEMS静电梳齿驱动工作原理,以梳齿结构和弹性梁结构为基础,综合考虑了动态特性、可靠性以及加工工艺可行性要求。提出了非等高结构、变形曲臂梁结构、位移放大驱动器、垂直Z向位移静电梳齿驱动器等四种大尺度、低电压驱动线性MEMS静电梳齿驱动器结构设计。利用CAD采用FEA法分别建模、仿真,进行了大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的动态与静态的研究,并获得20V直流偏置、位移80～130μm、驱动器面积小于2mm×2mm的结果。