一种新型解耦硅微机械陀螺的设计

提出了一种新型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与驱动电极相同的梳齿两种结构检测感应模态的振动,每种结构设计两组独立的检测电极,分别采用差分方式进行检测,有效提高了陀螺的灵敏度。该陀螺结构的驱动模态和感应模态振动相互解耦,振动特性相似,固有频率、阻尼系数和品质因数等参数接近。采用有限元法分析了该结构的参数和特性,介绍了结构的制作流程。该结构谐振频率高、阻尼系数小,可达到较高的测量分辨率和准确率。     

一种新型解耦硅微机械陀螺的设计

提出了一种新型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与驱动电极相同的梳齿两种结构检测感应模态的振动,每种结构设计两组独立的检测电极,分别采用差分方式进行检测,有效提高了陀螺的灵敏度。该陀螺结构的驱动模态和感应模态振动相互解耦,振动特性相似,固有频率、阻尼系数和品质因数等参数接近。采用有限元法分析了该结构的参数和特性,介绍了结构的制作流程。该结构谐振频率高、阻尼系数小,可达到较高的测量分辨率和准确率。     

高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器

开发了一种在空气中具有几十飞克质量分辨率的谐振式微机械悬臂梁生化质量检测传感器.在悬臂梁上面实现了使用惠斯通压阻电桥检测和洛伦兹力线圈驱动集成结构.与通常的一阶模态谐振传感器不同,为了显著提高传感器特异性反应吸附质量以实现分子水平的检测分辨率,提出了一种二阶弯曲谐振模态优化驱动的方法.在悬臂梁上集成了一种回形针状的驱动电流回路,实现了与第二模态悬臂梁运动两个相反运动峰值相吻合的两处同时反方向驱动.研究中采用硅微机械技术实现了集成谐振悬臂梁的制作,并研制出了高性能的谐振传感器闭环接口电路.在空气中进行谐振实验,与传统一阶模态传感器相比,采用该优化驱动的二阶模态,谐振品质因数从195提高到857,谐振频率从49.156提高到298.132kHz,采用Allen方差的方法对谐振频率噪声进行分析,表明该优化驱动的二阶模态传感器将传统的一阶模态传感器质量分辨率从0.17改善到0.029pg,达到了4个痘病毒的质量分辨水平.     

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。     

高阶谐振模态的超高质量分辨硅微悬臂梁压阻传感器

开发了一种在空气中具有几十飞克质量分辨率的谐振式微机械悬臂梁生化质量检测传感器.在悬臂梁上面实现了使用惠斯通压阻电桥检测和洛伦兹力线圈驱动集成结构.与通常的一阶模态谐振传感器不同,为了显著提高传感器特异性反应吸附质量以实现分子水平的检测分辨率,提出了一种二阶弯曲谐振模态优化驱动的方法.在悬臂梁上集成了一种回形针状的驱动电流回路,实现了与第二模态悬臂梁运动两个相反运动峰值相吻合的两处同时反方向驱动.研究中采用硅微机械技术实现了集成谐振悬臂梁的制作,并研制出了高性能的谐振传感器闭环接口电路.在空气中进行谐振实验,与传统一阶模态传感器相比,采用该优化驱动的二阶模态,谐振品质因数从195提高到857,谐振频率从49.156提高到298.132kHz,采用Allen方差的方法对谐振频率噪声进行分析,表明该优化驱动的二阶模态传感器将传统的一阶模态传感器质量分辨率从0.17改善到0.029pg,达到了4个痘病毒的质量分辨水平.     

基于模态局部化的可调式压电驱动谐振质量传感器的设计

该文提出了一种基于模态局部化现象来检测外部质量扰动的可调式压电驱动谐振质量传感器,质量传感器的检测结构由两个不同长度的悬臂梁通过机械耦合梁连接。首先利用哈密顿原理对压电驱动下的非对称谐振元件进行理论建模,采用伽辽金方法求解,得到前两阶模态下的振动特性;理论求解所得固有频率与COMSOL仿真分析、实验数据基本一致。实验研究表明,无调谐质量的谐振器检测范围为2～10 mg,添加调谐质量后的谐振器检测范围提高至1～13 mg,质量检测的分辨率也得到优化。此外,对传感器的结构进行非线性分析研究发现,超谐振动下的谐振器检测灵敏度提升了80%,这为非线性谐振传感器的设计提供了基础。     

压电式微固体模态陀螺谐振频率自动跟踪电路

压电式微固体模态陀螺振子通过交变电压激振、传感电极感应出电荷。当激励电压频率为某阶振动模态谐振频率时,感应电荷达到最大值。设计了谐振频率自动跟踪电路,使陀螺稳定工作在谐振模态。使用现场可编程门阵列(FPGA)控制直接数字频率合成器(DDS)产生频率精确可调的激励电压,驱动陀螺振子振动。检测谐振点对应的激励电压和感应信号间的相位差,作为反馈信号调节激励电压频率。实验结果表明,当相位差锁定区域处在98.48°~100.27°时,振子感应电极输出信号最大,振子处于谐振状态,实现了振子谐振频率的跟踪锁定。该系统可用于以谐振器为核心器件的振子工作模态锁定与跟踪。     

超声行波微流体驱动圆环模型分析

介绍了超声行波微流体驱动的圆环模型,借助边界层理论阐述了两种主要的驱动机理:声流驱动和声辐射压驱动.基于有限元分析,讨论了模型固有频率与模型结构参数间的关系.通过谐响应分析,在谐振频率处成功激励出所需的模态,得到幅频响应特性,并与模态分析下的模态幅值进行比较分析,得到其幅值变化趋势.对声固耦合模型进行模态分析和谐响应分析,比较结构模型与耦合模型频率的差别,并对声压和幅值进行了比较分析,为模型的进一步优化设计提供指导.     

一种谐振式微加速度计的设计

提出一种基于谐振原理、电容检测的微型加速度计。通过外加加速度使质量块经杠杆将力放大施加到谐振器上,改变谐振梁上的轴向应力,从而改变谐振梁的振动频率。研究表明这种加速度计的测量范围达66 g。同时采用有限元法进行了仿真模拟,结果显示传感器灵敏度约18 Hz/g,工作模态固有频率为625.981 kHz。     

一种新型三自由度谐振式MEMS陀螺

针对谐振式MEMS陀螺检测带宽与检测灵敏度相矛盾的问题,根据两质量块谐振器具有对机械位移放大的特点,提出了一种新型结构的谐振式MEMS陀螺,采用单自由度驱动、双自由度检测,驱动模态谐振频率落在检测模态两个质量块谐振频率叠加形成的平坦区域内,有效增加了陀螺检测带宽,提高了陀螺的抗干扰性能。建立了新型谐振式MEMS陀螺结构动力学模型,对陀螺结构进行有限元仿真分析,在常压环境下对陀螺结构进行测试。结果表明,该结构有效增加陀螺检测带宽,改善了陀螺的抗干扰性能,克服了由于工艺加工精度不足带来的陀螺结构不对称所引起的误差,降低了对加工工艺和加工精度的要求。     

基于磁感应频率跟踪的逆变电源研究与设计

针对近距离高频磁感应能量传输系统中距离改变会使谐振频率发生变化,导致效率降低的问题,提出一种基于74HC4046AD锁相环的频率跟踪驱动方案,该方案可以实现谐振频率的自动跟踪,在proteus环境下对中心频率为100 kHz的逆变电源系统和锁相功能进行仿真。设计并制作基于频率跟踪的逆变电源样机,通过样机对输出情况进行跟踪反馈。仿真实验结果表明,该系统输出性能良好,验证了频率跟踪的有效性,实现了功率管的软开关工作模式。     

基于74HC4046AD的感应加热电源设计

针对感应加热过程中,铁质负载的电阻率和磁导率会发生变化,使谐振频率发生变化的情况,文中介绍了一种锁相驱动方案。该方案可以实现负载频率自动跟踪,它的电路包括锁相环电路、同步信号提取电路和隔离驱动电路三部分。其中锁相电路实现负载频率的跟踪,同步信号提取电路和隔离驱动电路实现IGBT驱动。设计并制作一台2.5 kW/20 kHz感应加热电源样机,通过给注塑机炮筒加热,实验数据表明锁相驱动方案锁相稳定。     

Automatic Digital Method for Measuring the Permittivity of Thin Dielectric Films

One of the most promising techniques for measuring the electric permittivity at microwave frequencies of thin dielectric materials of the order of 0.1 to 10 /spl mu/m, is the cavity perturbation method. For thin films of this type, it is necessary to determine accurately and display small changes in the resonant frequency and Q factor of the cavity in the presence of the material sample. A circuit for the simultaneous measurement and digital readout of the resonant frequency and Q factor of microwave cavity is described. For the resonant frequency measurement, a very efficient automatic frequency circuit, with a homodyne modulation-detection bridge and frequency stabilization loop, is applied. Theoretical analysis and experiments results with this circuit show that an accuracy of 5x10/sup -7/can be achieved in the resonant frequency measurement. For measuring the Q factor, two similar circuits are described. The technique is based on measuring the phase shift of the envelope of an amplitude modulated microwave signal when this signal is transmitted through a resonant cavity at resonance. Although an accuracy of 0.5 percent in the Q factor can be achieved, it is shown that the main limiting factor in both circuits is the accuracy of phase shift determination at RF frequencies.     

A highly effective load adaptive servo drive system for speed control of travelling-wave ultrasonic motor

This paper presents a highly effective load adaptive drive system to control the speed of a travelling-wave ultrasonic motor. The motor driver was built based on the two-phase high-frequency inverter using the mechanical resonant frequency of the ultrasonic motor. To digitally control the drive system, a TMS320F243 digital signal processor was adapted to the driver. The developed system includes two feedback loops; speed control loop and feedback voltage-resonant frequency tracking loop. The driving frequency was used as a control input to control the motor. Direct pulse-width modulation (PWM) control was used to obtain the required driving frequency. The developed drive system was experimentally tested under several operating conditions. The obtained results demonstrated the effectiveness of the drive system for high performance drive applications.     

Electronic Ballast Control IC With Digital Phase Control and Lamp Current Regulation

A digital control architecture is presented for electronic ballasts that provides a phase sweep for reliable, soft lamp ignition and a smooth transition to lamp current regulation mode. The controller is based on an inner phase loop for fast regulation of the resonant tank operating point and an outer current loop for lamp current regulation. The inner loop operates on a simple digital control law that computes the required gate timing relative to the inductor current positive zero crossing. Phase control provides reliable drive of the resonant converter in the presence of large dynamic changes in the load impedance during lamp ignition and warm up and natural tracking of component variations with temperature and time. The primarily digital approach provides programmability for broad application, insensitivity to process and temperature variations, realization in low cost CMOS processes and few external components. Experimental results are presented for an integrated ballast controller fabricated in a 0.8 mum CMOS process used in a 400 W, 150 kHz HID electronic ballast.     

Switching losses in a GTO inverter for induction heating

The application of gate-turn-off thyristors (GTOs) to parallel resonant inverters for induction heating is investigated. Three different modes of operation of the GTOs are explained and tested in a test circuit. The optimum mode is selected by switching loss measurement. It is shown that due to the small inductance in the commutation circuit, the gate-assisted turn-off technique leads to very high turn-on losses and is not the optimum way to drive the GTO in this application. However, it can be used under different conditions in order to reduce turn-off losses. It is suggested that a mixed turn-off of the devices by both gate action and natural commutation is the optimum mode of operation. Then, the load is driven at unity power factor. In this mode of operation, no snubbers are necessary in principle. A small capacitor in parallel to the GTO is recommended for only the staring procedure. An estimation of the total power loss in the GTOs leads to the result that the GTO tested can be operated at frequencies between 10 kHz and 20 kHz with a reasonable inverter efficiency     

压电谐振器双闭环驱动电路研究

压电谐振器是谐振式传感器和执行器的核心部件,通常工作在共振和稳幅状态。采用一种锁相环(PLL)和自动增益(AGC)相结合的双闭环控制驱动电路,分别实现了谐振器共振频率的跟踪激励和压电振子输出信号的稳幅控制。优化设计了双闭环电路中各元器件参数,使得压电振子能稳定工作在谐振频率点。参照压电谐振器开环测试数据和闭环测试数据,双闭环驱动电路能将谐振器相位锁定在59°(误差3°),输出信号峰峰值稳定在12.8V(误差0.2V)。实验结果表明,该电路设计能够达到稳定谐振器输出信号幅值和跟踪谐振器共振频率的目的。     

微机械光调制器的制备及其在不同激励条件下的响应研究

本文主要讨论了具有机械式抗反射开关(即MARS)结构的新型微机械光调制器.MARS结构光调制器由表面微机械工艺制备.测量结果表明,微机械光调制器有一系列的固有频率.当器件被正弦信号激励时,其响应信号也是正弦信号.当器件被方波信号激励时,响应信号和激励频率有关.当激励方波频率远低于器件固有频率时,器件响应实际上是对上下两个阶跃信号的响应:出现明显的阻尼振荡效应.当激励频率在固有频率附近时,器件实际只对方波的基频效应:响应为正弦信号.     

基于NIOSII的多模导航接收机跟踪环路

硬件实现卫星导航接收机时,信号跟踪、数据解调、原始观测量提取、定位解算功能通常由DSP或ARM实现,捕获及通道由FPGA实现。多模卫星导航接收机是未来发展趋势,其通道数目多。为降低外部处理器计算负荷,将数据解调、环路跟踪、原始观测量提取功能由NIOSII实现。跟踪环路不使用float型计算可节约硬件资源。据跟踪环路原理,采用递推方法进行分析,以32位整型计算进行实现。测试表明计算误差小,计算速度高,节约了FPGA资源。