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COVENTE RWARE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。     

石英微机械陀螺敏感芯片的结构解耦特性研究

石英微机械陀螺敏感芯片通常采用双端音叉结构,驱动音叉和检测音叉的振动耦合误差是其主要误差源。对双端音叉结构陀螺敏感芯片进行了结构解耦设计仿真,分析了芯片安装区对检测音叉振动特性的影响。通过解耦设计,减小了零偏误差信号,提高了陀螺敏感芯片的稳定性。     

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。     

高性能音叉结构MEMS陀螺的抗冲击设计

MEMS音叉陀螺存在很多振动模态,分析发现,其在驱动方向上受到冲击时的振动形式与工作在驱动模态的振动形式是不同的。通过改进悬挂梁的尺寸结构,提高了冲击振动模态谐振频率以增强陀螺的抗冲击性,同时保持驱动模态谐振频率不超过20 kHz,保证了陀螺的性能。采用SOG工艺制备了所设计的MEMS音叉陀螺,经过测试,该陀螺驱动模态的品质因数为5 734,检测模态的品质因数超过了430 000,具备实现高精度角速度检测的能力。在重锤上对制备的陀螺进行了抗冲击测试,测试表明该陀螺在驱动方向上的抗冲击性能达到了23 000 g,能够满足惯性导航对器件的苛刻要求。     

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。     

振动陀螺仪闭环控制系统设计

振动陀螺仪位列新一类固态陀螺,已成为与机械转子陀螺、光学陀螺相并列的三大类陀螺之一.在分析振动耦合误差的基础上,提出了振动陀螺仪闭环控制系统的一般设计方案.由于驱动振动幅度远大于读出振动,因此极小的耦合量就会造成很大的检测误差.同时,驱动振动耦合到读出轴的振动信号与角速率振动信号同相,他不可简单地进行分离的特性使其成为影响陀螺精度的要害问题.通过闭环控制系统的设计和实施,可有效提高振动陀螺仪的精度.     

旋转式硅微机械陀螺的研究

分析了旋转式硅微机械陀螺的工作原理,建立了该陀螺的数学模型,设计了其敏感结构,计算了陀螺振动元件三个轴向的转动惯量、弹性支撑梁扭转刚度、振动元件角振动阻尼系数等动力学参数,计算分析了陀螺的电容敏感特性.对制作的陀螺进行性能测试的结果表明,该陀螺利用旋转载体自身的旋转角速度作为驱动,从而说明敏感载体的俯仰(或横滚)角速度原理正确,并且理论和试验都说明,当载体自旋角速度不同时,陀螺输出信号的比例系数也不同.     

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.     

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。     

旋转式硅微机械陀螺的研究

分析了旋转式硅微机械陀螺的工作原理,建立了该陀螺的数学模型,设计了其敏感结构,计算了陀螺振动元件三个轴向的转动惯量、弹性支撑梁扭转刚度、振动元件角振动阻尼系数等动力学参数,计算分析了陀螺的电容敏感特性。对制作的陀螺进行性能测试的结果表明,该陀螺利用旋转载体自身的旋转角速度作为驱动,从而说明敏感载体的俯仰(或横滚)角速度原理正确,并且理论和试验都说明,当载体自旋角速度不同时,陀螺输出信号的比例系数也不同。     

旋转式硅微机械陀螺的研究

分析了旋转式硅微机械陀螺的工作原理，建立了该陀螺的数学模型，设计了其敏感结构，计算了陀螺振动元件三个轴向的转动惯量、弹性支撑梁扭转刚度、振动元件角振动阻尼系数等动力学参数，计算分析了陀螺的电容敏感特性。对制作的陀螺进行性能测试的结果表明，该陀螺利用旋转载体自身的旋转角速度作为驱动，从而说明敏感载体的俯仰（或横滚）角速度原理正确，并且理论和试验都说明，当载体自旋角速度不同时，陀螺输出信号的比例系数也不同。     

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。     

旋转载体用硅微机械陀螺的动力学分析与仿真

提出一种“旋转载体用硅微机械陀螺“,给出了该陀螺敏感头的结构尺寸,对陀螺角振动方程中出现的转动惯量、弹性支撑梁的扭转刚度系数和角振动阻尼系数分别进行了解析近似计算,得到了角振动幅度与被测角速率的关系曲线.用ANSYS仿真分析软件对陀螺结构进行模态分析和谐响应分析,比较计算机模拟和解析近似计算结果,它们相差不大,从而使两种处理方法相互得以验证.     

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.     

石英微机械陀螺敏感芯片的抗振动分析与改进

石英微机械陀螺是振动惯性器件,而陀螺敏感芯片结构的抗振动能力会直接影响陀螺的性能。由于工作环境的振动会对陀螺的性能产生一定的影响,因此需提高陀螺敏感芯片结构的抗振动能力。该文利用有限元仿真软件对敏感芯片结构进行随机振动仿真分析,通过对敏感芯片结构的优化,提高了陀螺的抗振动能力。     

旋转载体驱动硅微机械陀螺的设计和性能检测

提出了一种利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺,分析了该陀螺的工作原理,建立了这种陀螺的数学模型,设计了该陀螺的敏感结构,计算了陀螺的结构动力学参数,设计并分析了陀螺的信号检测与处理电路并针对该陀螺的特点设计了性能测试装置。理论研究和性能测试表明,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。     

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。     

MEMS光栅陀螺制造与测试

根据MEMS光栅陀螺工作原理,对陀螺结构仿真,并进行了晶圆级陀螺制造。在ANSYS中建立陀螺结构模型,并进行仿真分析。仿真结果显示,其驱动模态为7 287 Hz,检测模态为7 288 Hz,频差为1 Hz,表明结构有高灵敏度。通过工艺设计,采用溅射、湿法腐蚀、深反应离子刻蚀、阳极键合等工艺成功制造了MEMS光栅陀螺。大气压下搭建的测试系统测得该陀螺的驱动模态为7 675 Hz,检测模态为7 703 Hz,与仿真结果相对误差为5.6%,验证了工艺的可行性。