真空封装硅微陀螺品质因数的标定

建立了真空封装陀螺的无激励欠阻尼二阶系统模型,用于测量真空封装硅微陀螺的品质因数。对该模型进行理论推导,提出了一种时延常数测试方法。该方法首先利用锁相环路,驱动陀螺实现闭环谐振,获得较大的初始振幅。然后关断激励信号,通过放大电路和解调电路,记录硅微陀螺振荡幅值的衰减过程;用计算机通过Matlab GUI实时采集并拟合振幅衰减曲线,获得时间常数。最后,通过时间常数解算获得真空封装硅微陀螺的品质因数。对真空封装硅微陀螺品质因数的实验测试结果表明:该方法实测数据与理论分析模型的拟合度为99.999%,测试重复性为4.03%,优于传统的扫频测试法的重复性。对比时延常数法与锁相放大器扫频测试法的测试数据显示:时延常数法具有更高的测量精度和更高的测试效率。该方法可以推广到其它高真空封装MEMS器件的品质因数测量。     

微机械振动环陀螺

为了减小振动环驱动模态和检测模态的频率差从而提高陀螺性能,提出了一种采用电磁驱动、电磁检测的全对称振动环陀螺结构。采用MEMS体硅工艺完成该微机械振动环陀螺的加工,其结构在保持镜像对称的同时,还保持了中心对称,因此整个结构高度对称,有利于减小模态频率差。为有效跟踪陀螺驱动模态的谐振频率并稳定驱动模态的幅值,设计了闭环驱动控制电路。该电路由低噪声前置放大器、相位调整环节以及自动增益放大器(VGA)组成。测试结果表明,该陀螺两个模态频率差为0.27 Hz,实现了频率较好的匹配。在±200 °/s,测得陀螺灵敏度为8.9 mV/(°/s),分辨力为0.05 °/s,非线性度为0.23%。     

MEMS微半球谐振陀螺的力反馈模态及其FPGA平台实现

MEMS(micro-electro-mechanical system)微型陀螺仪具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点,MEMS微半球谐振陀螺是MEMS微陀螺领域的研究热点,文中分析了微半球谐振陀螺的工作原理以及检测方法。针对MEMS微半球谐振陀螺高工作频率,高品质因数等特点,提供了一种数字式力反馈模式下的MEMS微半球谐振陀螺数字式闭环控制检测方案以及其FPGA平台硬件实现,完成目前MEMS微半球谐振陀螺的控制与检测工作。     

一种高性能电磁式微机械振动环陀螺

模态匹配和高的品质因数是提高振动环陀螺性能的关键。设计制作了一种电磁式微机械振动环陀螺,采用了全对称的结构以实现模态匹配。通过理论推导建立了陀螺灵敏度和机械噪声的数学模型,分析了陀螺参数对灵敏度及分辨力的影响。采用（100）晶向的单晶硅及MEMS体硅标准工艺加工了陀螺样片,该工艺简单,无需键合。器件频响实验结果表明,所设计的振动环陀螺驱动模态和检测模态频差小于0.5Hz,大气压下品质因数约为500,在1Pa的低真空下达到14000。锁相放大器测试结果表明,在-200 ~200 o/s测量范围内,陀螺分辨力为0.05o/s,灵敏度为0.2uv/ o/s。测试结果表明该陀螺能够实现模态匹配和较高的品质因数,具有较高的性能指标。     

硅微半球陀螺频率裂解修调工艺规律仿真分析

频率裂解是影响半球谐振陀螺性能的主要因素之一.硅微半球陀螺谐振子球壳的厚度为μm量级,半径为mm量级,小而脆弱的谐振子导致修调难度大,针对此问题,文中通过有限元仿真的方法分析了在硅半球壳谐振子唇边进行打孔对频率裂解的影响规律.得到了"应该在低频模态上打孔以减小频率裂解"、"修调的加工精度需要在微米级甚至是亚微米级"、"...     

双质量硅微陀螺仪驱动模态测试

考虑双线振动双质量硅微陀螺仪环境适应性强且两个质量块的差动输出能够有效消除共模干扰的影响,提出了一种新型双质量陀螺仪。依据双质量硅微陀螺的结构和工作原理,对该陀螺的驱动模态进行了理论分析,并提出了简化的动力学方程。利用ANSYS有限元软件对陀螺的驱动模态进行了数值仿真,并对陀螺仪样品进行了电路测试。通过几种不同的加载方式,分别得到了相应的仿真和测试的幅频曲线,结果表明,仿真和实验结果与理论分析完全一致,且双边驱动方式要优于单边驱动方式,反向驱动方式可以使陀螺仪在工作模态运动。仿真和实验结果验证了双质量硅微陀螺的驱动模态特性。     

基于偶极子补偿法的硅微机械陀螺仪带宽拓展

硅微机械陀螺仪的机械灵敏度与驱动和检测模态的谐振频率差Δf成反比,而Δf处的谐振峰是影响陀螺带宽的直接因素,带宽约0.54Δf,因此,带宽和机械灵敏度往往成为两个互为矛盾的指标。基于自动控制原理中介绍的偶极子理论提出了偶极子补偿控制技术,该方法在不影响机械灵敏度的前提下可有效拓展陀螺带宽。首先,对涉及到的双质量硅微机械陀螺仪的结构形式和工作原理进行了介绍,指出陀螺实际工作的检测模态是由检测同相和反相模态叠加而成,设计了陀螺开环检测回路,分析了带宽是由驱动反相和检测反相模态的谐振频率差决定,并结合检测力反馈激励法验证了上述结论;其次,根据偶极子工作原理设计了偶极子补偿控制器的系统传递函数和电路,并对相关内容进行了仿真,验证了电路参数的准确性;最后,基于偶极子补偿控制器建立了硅微机械陀螺仪闭环检测系统,分析了该系统的稳定性,并对该系统的带宽特性进行了仿真和测试,结果显示带宽由原来的13 Hz拓展到了76 Hz,很好地证明了本文提出方法的可行性。此外,鉴于双质量陀螺的实际检测模态,在消除了第一个Δf谐振峰对带宽的影响后,由检测同、反相模态叠加产生的共轭零点引起的幅值谷为带宽进一步提高的限制因素。     

电容式环形微机电振动陀螺的设计

针对环形振动陀螺结构对称、模态特性参数相同与抗干扰特性好的特点,提出了一种新型的电容式环形微机电振动陀螺。设计了S形弹性支撑梁形式的硅基环形振动陀螺敏感结构,并仿真分析了陀螺的工作模态与幅频响应特性。根据环形振动陀螺的动力学特性,研究了陀螺的机电接口形式与硅基电极的设置方法,建立了硅基电极的电学参数模型与陀螺的角速度敏感模型。基于深离子刻蚀技术设计了简单可行的传感器制备流程,并成功制备了陀螺的敏感结构。实验测试结果显示,该环形微机电振动陀螺驱动与检测模态的谐振频率分别为9 028.86Hz与9 036.15Hz,品质因数分别为25 051与25 026,标度因数为0.589 7mV/((°)·s~(-1))。实验结果验证了陀螺设计与研究方法的正确性,为高性能硅基微机电陀螺的研制提供了一种可行的方案。     

栅结构微机械陀螺运动特性的研究

对一种新型微机振动陀螺原型的运动特性进行了理论分析。采用差分电容信号调制解调方法测量了微机械陀螺驱动和检测模态的幅频特性。理论计算和实验结果表明,在大气状态下,该微机械陀螺驱动模态和检测模态的品质因子具有相近数值,在100左右。测量了驱动模态民激励驱动下,微机械陀螺检测模态的幅频特性,实验结果表明,在无角速度输入的情况下,微机械陀螺在驱动模态和检测模态的谐振模态的谐振频率处发生谐振。     

微半球振动陀螺的装配误差分析与精密微调机构设计

分析了微半球振动陀螺的装配误差形成机理,对装配精度要求进行了计算。在微半球结构锚点直径为1 mm的情况下,要保证装配间隙均匀度小于10%,锚点面的高度偏差需要小于0.1μm。通过数值计算和有限元模型,分别研究了装配误差对电极驱动能力、静态检测电容、静电刚度调节能力,以及1阶模态振型的影响。计算结果表明,电极间隙不均匀对检测、驱动和静电刚度修调能力的影响分别呈1、2、3次方关系,同时会引起微幅的结构偏摆。为提升电极装配间隙均匀性,设计了一种基于柔性缩小单元的微位移调节机构。该机构利用螺旋调节旋钮和柔性垫块,使石英玻璃基底产生2自由度微幅摆动,从而实现较高精度的装配。测试结果表明,微半球振动陀螺装配后平均电容误差约为30%～40%,但引入了较大的寄生电容,消除该影响后,电容平均误差为12%。     

全角半球谐振陀螺控制回路的动态特性研究

全角半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的速率积分陀螺。针对全角半球谐振陀螺闭环控制回路的系统带宽问题,分析了全角半球谐振陀螺的工作原理,分别建立了全角半球谐振陀螺的输入-输出控制回路模型和扰动-输出控制回路模型。利用SIMULINK工具箱对两种模型进行了搭建和仿真研究,分析了两种控制回路的动态特性,最后进行了全角半球谐振陀螺的转台实验。仿真结果显示：外界输入角速度超过532.8°/s后,扰动信号导致的输出量波动达到最大且保持恒定,此时控制回路的带宽为1.48 Hz。仿真和实验结果表明：全角半球谐振陀螺控制回路的带宽过低会导致扰动信号引起椭圆参数的波动,控制效果变差,且扰动信号频率与外界输入转速成正比,当外界输入转速超越控制回路截止频率的对应转速后,椭圆参数的波动幅值趋于稳定。本文的研究成果为全角半球谐振陀螺的动态性能分析提供了理论基础。     

一种静电驱动微机械谐振传感器的接口电路及应用

针对静电驱动微机械谐振传感器接口动态电容的测量,文中介绍了一种读取接口电路,采用了高频方波对振动信号进行调制,模拟开关进行解调。以静电驱动的某真空封装微机械振动双框架陀螺为例,接口电路实验测试得到的波形与设计预期一致,并利用接口电路和频率扫描方法成功测得微机械振动陀螺驱动模态谐振频率为13.552 k Hz,品质因数为1863。     

基于刚度轴偏角预估机制的 MEMS 多环谐振陀螺全闭环控制方法

针对微机电系统多环谐振陀螺正交闭环回路存在控制误差问题,提出一种基于刚度轴偏角预估机制的多环陀螺全闭环控制方法。该方法通过对微机电系统多环谐振陀螺刚度轴偏角预估,实现正交闭环回路参数自动优化调整。同时,提出了基于刚度轴偏角预估机制的全数字化闭环控制方法,实现微机电系统多环谐振陀螺的驱动、检测、正交、模态匹配环路的全闭环控制。该方法可提升正交闭环回路信噪比,增强陀螺正交漂移的抑制能力,降低陀螺零偏输出,改善陀螺的零偏不稳定性。实验结果表明,采用本文提出的基于刚度轴偏角预估机制的全闭环控制方法后,微机电系统多环谐振陀螺的零偏输出由0.201°/s降低为0.021 3°/s,零偏不稳定性由39.42°/h降低为1.237°/h,分别降低了9.44倍和31.86倍,验证了该方法对提升微机电系统多环谐振陀螺仪性能的有效性。     

基于随机平均法的MEMS陀螺自适应控制设计

利用随机平均法对MEMS(微机电系统)陀螺驱动和敏感模态进行了分析,研究了MEMS陀螺的自适应控制设计,使陀螺工作在调谐驱动和力平衡闭环检测状态.该设计能够实现陀螺的恒定幅度和固定频率谐振驱动、驱动和敏感模态匹配,抵偿由刚度耦合引起的正交误差信号,使敏感模态振动在零位平衡位置,提高陀螺动态范围和灵敏度.结合实际陀螺参数,利用MATLAB软件对陀螺自适应设计方案进行了仿真,并设计了驱动模态的调试电路,仿真和调试结果验证了理论分析的可行性.     

双质量振动式硅微陀螺理论和实验模态分析

考虑硅微陀螺的设计和结构优化,研究了陀螺固有频率及模态对其性能的影响。针对本课题组研制的双质量振动式硅微陀螺,利用能量法建立了固有频率的理论公式,对硅微陀螺的低阶模态进行了理论分析,并利用有限元仿真和实验对理论分析结果进行了验证。结果显示:理论分析结果与仿真结果的最大误差为8.6%,与实验结果的最大误差为10.6%。利用Allan方差分析法对陀螺进行了静态性能实验,结果显示其角度随机游走为0.0578(°)/hr12,零偏不稳定性为0.459(°)/hr。与传统的单纯依靠有限元仿真的模态定阶相比,本文建立的理论模型可以省略繁琐的结构参数调整过程,更高效地完成陀螺模态定阶,而且可用于陀螺的结构优化过程。     

无驱动结构硅微机械陀螺的原理分析和性能测试

提出了一种利用旋转载体自旋角速度驱动的硅微机械陀螺的结构原理,建立了这种陀螺的数学模型并分析计算了该陀螺的结构动力学参数.理论研究和试验表明,利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺结构原理正确.通过陀螺性能测试,陀螺输出电压与输入角速度成正比.     

基于硅悬臂高阶谐振的动态原子力显微镜的快速扫描

利用原子力显微镜(AFM)硅悬臂器件具有多阶谐振模态的特性,提出了基于硅悬臂高阶谐振特性构建动态AFM来实现快速扫描的方法,并研制了可工作于一阶模态和高阶模态的AFM。介绍了高阶谐振AFM系统的基本结构和工作原理,从理论上证明了利用硅悬臂梁高阶谐振特性实现快速扫描的可行性。以自制的AFM为研究对象,分析了影响动态AFM扫描速度的主要因素,对系统各模块的响应时间进行了分析、测试,并通过实验证明了AFM在二阶谐振模态下的稳定时间明显小于一阶谐振模态下的稳定时间。最后,分别用一阶、二阶谐振模态对光栅试样在同一区域的表面形貌进行了扫描测试,测试数据表明:在相同条件下,AFM的扫描速度在二阶谐振模态下约是一阶模态下的3.3倍。理论分析和实验结果证明了利用高阶谐振探针提高AFM扫描速度的可行性和有效性。     

硅微机械谐振陀螺仪结构优化设计

介绍了硅微机械谐振陀螺仪的工作原理,给出了陀螺仪标度因数的表达式,分析了陀螺仪驱动模态的最大振幅、陀螺质量块结构参数、杠杆、DETF结构参数对标度因数的影响,优化了结构设计.利用有限元分析软件ANSYS对陀螺仪的结构进行了仿真,并制作了原理样机.     

基于带通Σ-Δ调制器的硅微机械陀螺力反馈闭环检测

为了提高硅微机械陀螺(SMG)的性能,研究了一种基于四阶机电结合带通Σ-Δ调制器(SDM)的硅微机械陀螺力反馈闭环检测方法。基于谐振器级联谐振前馈(CRFF)结构设计了该方法的仿真模型,并利用商用软件SD TOOLS计算了环路参数。采用MATLAB/SIMULINK对设计结果进行了行为级仿真,结果表明,1 Hz条件下环路的信噪比达到了109.2dB,符合设计预期。在此基础上,以现场可编程门阵列(FPGA)为数字处理核心搭建了硅微机械陀螺数字化测控电路并进行了性能测试。结果表明,采用带通SDM闭环检测技术和数字化闭环驱动技术后,硅微机械陀螺的Allan方差零偏不稳定性约为1.15(°)/h,角度随机游走约为7.74×10-2(°)/√h,且信噪比参数满足了设计目标。得到的结果证明了设计方法的正确性;显示提出的带通SDM力反馈闭环检测方法有助于提高SMG的性能,拓展其应用领域。     

基于振动模态的微器件结构设计评价方法

为了提高微器件的设计效率,提出一种微器件的结构新型设计评价方法。首先,根据理论分析获得微机械陀螺结构设计原则,以典型两质量块微机械陀螺为研究对象,利用有限元工具与模态分析相结合,获得该系统固有频率和相应的振型矩阵;然后,利用模态叠加法求各阶模态对于驱动振动和检测振动的贡献度,并采用能量法分析各阶模态对系统的影响;最后,针对两类音叉式微机械陀螺具体实例模型,分别获得系统各阶模态能量在频域上的分布情况,证明所提出的微结构设计评价方法的正确性。