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。     

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。     

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。     

石英音叉陀螺最佳谐振频率点的分析与控制

分析了石英音叉陀螺驱动端叉指振动速度幅值在3个不同谐振频率点的稳定性,实现了最佳谐振频率点的控制。首先根据机电等效理论得出陀螺等效电路中串联支路电流等效于音叉振动速度;然后分析了串联支路导纳的幅频特性,得出在串联谐振频率点处音叉振动速度幅值受频率抖动影响最小的结论;但实际求得的谐振频率点与真实谐振频率点之间存在差别。设计移相电路,调整移相电路的阻容值使陀螺工作在不同的谐振频率点,通过比较可以看出在真实串联谐振频率点处陀螺驱动端叉指振动最稳定;调整移相电路的阻容值使其产生3.78°的相移可使陀螺工作在真实串联谐振频率点处。     

一种解耦硅MEMS陀螺结构优化及性能仿真

以高机械灵敏度为设计目标,对一种解耦硅MEMS陀螺进行了结构优化,并利用有限元分析软件ANSYS对该MEMS陀螺进行了模态、应力、位移、抗过载及谐响应仿真分析,确定并验证了高灵敏度MEMS陀螺的结构优化原则。优化后的硅MEMS陀螺驱动和检测模态谐振频率分别为3700与3718Hz,机械灵敏度可达0.95nm/(°/s),能够承受500g的冲击载荷,并且能够实现驱动模态和检测模态解耦。     

带通ΣΔ调制器在MEMS陀螺驱动环路的应用

研究了MEMS陀螺驱动环路的数字ΣΔ闭环控制.基于MEMS陀螺机械结构的二阶谐振特性,采用自激振荡的方式实现驱动闭环,通过数字延迟链实现相位控制,通过PI控制器保证驱动模态恒幅振动.设计4阶机电结合带通ΣΔ调制器代替数模转换器(DAC)实现静电力反馈,来抑制闭环控制系统的带内噪声,同时降低驱动级模拟电路的复杂度.通过FPGA进行实验验证,测试结果表明应用该驱动环路,其驱动模态振动幅值稳定性为3.67×10-4,MEMS陀螺输出零偏不稳定性为1.219°/h.     

石英音叉陀螺不同谐振频率点性能分析

分析了石英音叉陀螺驱动端振动速度幅值在3个不同谐振频率点的稳定性.首先根据机电等效理论得出陀螺驱动端的串联支路电流等效于音叉叉指振动速度;然后通过分析串联支路导纳的幅频特性,得到串联支路电流在不同谐振频率点处对频率的敏感度不同;最后针对闭环驱动电路中存在的微小频率跟踪误差,对等效电路进行仿真分析,得出了在串联谐振频率点处对陀螺进行闭环控制将使音义振动速度幅值波动最小的结论.     

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.     

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。     

石英微机电陀螺的频率干扰特性研究

石英微机电陀螺是一种哥氏（Coriolis）振动陀螺,其敏感芯片采用音叉式结构,工作时音叉处于谐振状态。敏感芯片具有多阶模态,前9阶模态覆盖频率为3~21 kHz。敏感芯片的部分模态易受外部振动影响而导致敏感芯片产生共振,使陀螺产生零位偏移误差,陀螺的零位偏移误差可达0.5 （°）/s。该文分析了敏感芯片模态共振误差机理,提出通过结构错频设计避免外部环境特定频率对敏感芯片的影响,从而抑制了零位偏移误差,零位偏移误差减小到约0.03 (°)/s,提高了陀螺的振动环境适应性。     

一种真空度可调的圆片级封装技术

提出了一种MEMS器件的圆片级封装技术。通过金硅键合和DRIE通孔制备等关键工艺技术,可以实现真空度从102 Pa到2个大气压可调的圆片级封装。作为工艺验证,成功实现了圆片级真空封装MEMS陀螺仪的样品制备。对封装后的陀螺仪样品进行了剪切力和品质因数Q值测试,剪切力测试结果证明封装样品键合强度达到5 kg以上,圆片级真空封装后陀螺的品质因数Q值约为75 000,对该陀螺的品质因数进行了历时1年的跟踪测试,在此期间品质因数Q的最大变化量小于7‰,品质因数测试结果表明封装具有较好的真空特性。     

微驱动器的压电-弹性耦合分析(英文)

压电弹性耦合结构是实现MEMS微流体驱动的一种重要方式,掌握压电-弹性振动的耦合机理是微流体驱动协调控制的关键。针对压电与硅膜耦合微驱动结构,基于压电效应和弹性薄板理论,采用Rayleigh-Ritz能量法建立了周边固支边界条件下,弹性振动硅膜与压电驱动膜片耦合振动的理论模型,推导并计算了该微驱动结构的耦合振型及谐振频率。基于激光测振仪进行了该压电微驱动结构的振动测试实验,经实验模态分析获得了实测的谐振频率。理论计算结果与实验测试结果的对比分析表明,两者基本相符,验证了理论分析模型的正确性,为MEMS微流体的驱动与控制提供了一定的理论基础和实验依据。     

抗过载微陀螺结构的高灵敏设计与仿真

为解决高过载微陀螺难以实现高灵敏检测的问题,设计了一种高灵敏且高过载的微陀螺结构。设计的微陀螺结构驱动模态与检测模态的频率高度匹配,提高了微陀螺的结构灵敏度。该微陀螺采用面内检测方式,驱动与检测模态阻尼类型主要为滑膜阻尼,实现了在大气压环境下微陀螺的高品质因数Q值设计。微陀螺均采用双悬臂梁设计,增加了微陀螺结构的稳定性,进而提高了其抗过载能力。最后通过微陀螺的器件级仿真,得到了所设计陀螺结构在驱动方向过载能力约为100 000g(g=9.8m/s~2),检测方向过载能力约为70 000g的前提下,结构灵敏度为53nm/[(°)/s]。     

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.     

基于相位负反馈的振弦式陀螺驱动电路研究

介绍了一种采用电磁驱动频率检测的振弦式陀螺。为了实现振弦式陀螺稳幅谐振，分析了振弦式陀螺驱动模态的动力学特性和电学特性。根据其特性设计了基于相位负反馈的闭环驱动系统，建立其Simulink系统模型，分析了驱动模态固有频率发生偏差时驱动系统的锁频稳幅性能。对闭环驱动系统进行了器件级电路实现与仿真。结果表明，陀螺稳幅起振时间约为1.5 s，稳定后频率抖动小于0.020 6 Hz。最后对闭环驱动电路进行了实物制作与驱动测试，测试结果与仿真结果一致，验证了闭环驱动电路能够实现陀螺频率追踪与幅值稳定的控制要求。     

左右分布式高灵敏硅微谐振加速度计结构设计

提出了一种基于微杠杆原理的左右分布式低交叉耦合、高灵敏度的硅微谐振加速度计结构.该结构采用了一级微杠杆放大机构,左右双音叉谐振器和单质量块布局,实现了力放大和差动频率输出,具有结构简单、易于加工的特点,且两音叉谐振器间相互干扰小.首先,优化了设计参数,并进行了模态分析与谐响应分析.结果表明,左右谐振工作谐振频率分别为149.49 kHz和150.8 kHz,在该工作频率下X方向的最大位移远大于y和Z方向(两个数量级以上),表明工作模态具有优良的抗干扰能力.其次,在1 000g加速度载荷作用下进行了极限过载仿真.仿真结果表明,其最大应力为612.69 MPa,表明具有一定的抗冲击能力.最后,在±50g的设计量程内对结构的灵敏度进行了仿真分析.仿真结果表明,其灵敏度为160.51 Hz/g,验证了该设计的正确性.     

一种新的硅MEMS陀螺仪四相位闭环集成驱动电路

微机械陀螺的闭环驱动电路中通常采用两相位同频信号维持驱动环路谐振,但系统引入误差较大。提出了一种新的硅微机械陀螺四相位驱动系统,将四相位半频驱动电压加载到具有四组驱动电极的结构上,使系统维持在谐振频率上。采用该驱动电路,耦合到输出端的干扰信号为谐振频率的一半,只需采用适当的高通滤波器即可消除干扰信号对输出的污染,同时提高了系统的信噪比。采用0.5 μm CMOS工艺进行设计,版图尺寸约为2.8 mm×2.8 mm,测试结果表明该四相位驱动电路能很好地满足陀螺系统驱动模态维持谐振的要求。     

基于杠杆的微机械陀螺结构设计与仿真

提出了一种基于机械杠杆放大机构的微机械陀螺设计方案,用于提高微机械陀螺的灵敏度和精度。该杠杆放大机构使用在陀螺的驱动模态中,通过杠杆将驱动梳齿位移放大后传递到质量块上,在陀螺驱动模态谐振频率一定的情况下增大了质量块在驱动方向的运动速度,提高了陀螺敏感模态的科氏力及陀螺表头的机械灵敏度,从而提高陀螺系统的灵敏度和精度。在Coventor-ware中对陀螺结构进行了系统级仿真,仿真结果表明在杠杆动力臂和阻力臂长度之比为1∶5.2时,陀螺机械灵敏度放大了5.9倍。因此,通过在微机械陀螺驱动模态中使用杠杆结构可以提高其灵敏度和精度。     

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/Ｈｚ1/2，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．