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。     

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。     

结构解耦四质量块微陀螺仪的设计与制备

提出了一种新型的结构解耦四质量块陀螺仪的结构设计以及制备方法。采用梳齿电极的设计和推挽法消除了静电驱动力的二倍频分量,并对折叠梁结构进行仿真分析和优化,有效地实现了对驱动和检测模态的结构解耦。针对陀螺仪的结构,设计了可行的工艺方案并进行实际加工,采用SOI和阳极键合工艺,最终制作出四质量块陀螺仪样品。仿真得到驱动和检测模态的谐振频率差为7Hz,表明其结构的高度对称性。谐响应分析下陀螺仪最大位移为1 290nm,驱动框架最大位移差为60.75nm,检测框架最大位移为305.24nm,取得了理想的解耦效果。     

谐振式环形管科里奥利质量流量计

给出了一种建立在驱动与科里奥利（coriolis)模态固有频率相等、连续信号处理技术和频率跟踪法基础上的谐振式环形管coriolis质量计量计。在驱动模态与coriolis模态固有频率相等的条件下,当环形管有流体流过时环形管就处于谐振状态,因此具有较高的灵敏度;由于该质量流量计输出信号是连续的,所以可采用连续信号处理技术,得到较高的检测精度;流体密谋的检测是采用自激振荡原理和频率跟踪法得到的。文章还详细给出了该质量流量计的数学模型和检测原理。     

A Sub-0.2$^{circ}/$ hr Bias Drift Micromechanical Silicon Gyroscope With Automatic CMOS Mode-Matching

This paper describes a system architecture and CMOS implementation that leverages the inherently high mechanical quality factor (Q) of a MEMS gyroscope to improve performance. The proposed time domain scheme utilizes the often-ignored residual quadrature error in a gyroscope to achieve, and maintain, perfect mode-matching (i.e., $sim$0 Hz split between the high-Q drive and sense mode frequencies), as well as electronically control the sensor bandwidth. A CMOS IC and control algorithm have been interfaced with a 60 $mu{hbox {m}}$ thick silicon mode-matched tuning fork gyroscope $({rm M}^{2}mathchar"707B {rm TFG})$ to implement an angular rate sensing microsystem with a bias drift of 0.16$^{circ}/{hbox{hr}}$. The proposed technique allows microsystem reconfigurability—the sensor can be operated in a conventional low-pass mode for larger bandwidth, or in matched mode for low-noise. The maximum achieved sensor Q is 36,000 and the bandwidth of the microsensor can be varied between 1 to 10 Hz by electronic control of the mechanical frequencies. The maximum scale factor of the gyroscope is 88 ${hbox{mV}}/^{circ}/{hbox{s}}$ . The 3$~$ V IC is fabricated in a standard 0.6 $ mu{hbox {m}}$ CMOS process and consumes 6 mW of power with a die area of 2.25 ${hbox {mm}}^{2}$.      

一种新的MEMS陀螺温度误差建模与补偿方法

为了减少温度对微机电系统(MEMS)陀螺仪测量精度的影响,改进了一种不需要测量温度的MEMS陀螺温度误差建模与补偿方法。该方法首先通过多项式拟合得到MEMS陀螺全温区零偏与温度的多项式模型,并根据最小二乘法原理确定模型阶数,然后通过分析温度对驱动轴相位的影响,得到驱动轴相位的温度模型,最后得到零偏与驱动轴相位的多项式拟合模型并针对该模型对陀螺零偏进行补偿。实验结果表明,该方法能降低温度造成的陀螺误差,提高MEMS陀螺的使用精度。     

石英微机械陀螺自检功能的实现

提出了一种石英微机械陀螺单机自检的方法,通过简单操作,可实现石英微机械陀螺在静止状态、固定转动状态和规律运动状态下的单机自检功能.通过方案原理分析和具体电路实测,分析了此方法的实用性和有效性,为已装备完成的系统检测和标定创造了条件,从而提高了系统的工作可靠性.     

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。     

基于虚拟科氏力的半球谐振陀螺带宽电学自标定方法

半球谐振陀螺是一种高精度的惯性器件,在航空航天等领域有着重要的应用,但其本征带宽较低,对其力平衡控制回路及带宽测试方法要求较高。该文提出一种新型的基于虚拟科里奥利力的半球陀螺带宽电学快速测试方法,可代替角振动台等昂贵仪器对半球陀螺进行迅速自标定,从而为半球陀螺的高性能控制回路设计方法和批量化测试提供一种新的技术解决方案。首先在基础理论层面分析半球谐振陀螺动力学方程,建立起本征带宽系统模型,为虚拟电旋转的引入和自标定方法提供了理论基础。随后设计了基于虚拟科氏力的电旋转激励信号,并将其集成到陀螺接口电路系统中。最后设计了力平衡控制回路,并对该电学自标定方法进行了实验验证。实验结果表明,虚拟电旋转法能在不借助外部设备的情况下,有效准确地对半球陀螺带宽进行测试和标定,从而有效地促进高性能力平衡控制方法的开发和提高半球陀螺带宽测试效率。     

常温下微机械陀螺长时漂移特性实验研究

为了获取高线性度微机械陀螺仪常温下的长时漂移特性,该文采用光测法(计算机视觉测试系统)与传统电测法相结合的方法,分别在t=0,25min,120min时测试了微机械陀螺驱动模态的振动特性。最后通过对比分析光测法和电测法的测试结果,获得了微机械陀螺仪的长时漂移特性,并给出了陀螺在常温下产生长时漂移的影响因素。     

石英MEMS陀螺检测模块的测试方法研究

提出了一种石英微机械(MEMS)陀螺检测模块的测试方法和测试系统方案.该方法仅将检测模块的输入/输出端口接入测试系统,无需其他位置的信号注入和引出,即可实现增益、相位、频带、阻尼等电路特性的测试和标定,适用于生产过程对检测模块的快速测试及研制过程对检测模块的性能分析.     

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.     

微机械梳状陀螺仪的瞬态分析

为了研究微陀螺敏感模态和驱动模态的固有频率与机械灵敏度以及相位漂移、稳定性的关系，利用敏感电压的负刚度效应调节两模态间的固有频率差，通过CovcntorWare软件进行瞬态分析，经优化仿真后得到了在一定的频率差下微陀螺的最佳性能。     

双弹光调制器动态耦合及控制的一种新方法

针对双弹光调制器(PEM)中各调制器本征频率差异 及其随温度变化造成的调制效率降低问题,提出 了基于中心频率控制的解决方案。首先,建立了PEM机械特性等效电路,分析了驱 动电压、驱 动频率和谐振频率的动态耦合关系,确定了大光程差条件下驱动信号加载方法;其次,结合 不同谐振 频率PEM的幅频、相频特性曲线,提出了基于中心频率的双PEM控制方法;最后,采用 数字频率合成(DDS)技术和数字锁相环(DPLL)技术对双PEM进行驱动及谐振频率漂移跟踪,使 各PE M处于同频同相状态。实验结果表明,本文控制方法能够使双PEM调制光程差达 到单个PEM的2倍,达到1080μm。     

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。     

面向蜂巢式微机电陀螺模态交换工作模式的卡尔曼滤波

该文对模态交换工作模式下的蜂巢式微机电陀螺进行了噪声成分分析,并建立了噪声模型。提出采用卡尔曼滤波降低陀螺输出白噪声的方法,从而提升陀螺的静态性能,该方法可用于惯性寻北。实验结果表明,经滤波后陀螺输出在采样时间1 s下与未滤波前的平滑时间100 s下的陀螺输出噪声水平相当。陀螺输出白噪声幅值降低,从而缩短寻北时间。实际应用中,最短寻北时间可由卡尔曼滤波初值收敛后的时间进行标定。     

面向陀螺应用的硅基大尺寸楔角型谐振腔

针对集成光学陀螺中核心敏感单元难以同时实现集成化和高灵敏度问题,提出了硅基二氧化硅楔角型谐振腔的制作方案。通过理论分析得出,由光电探测器散弹噪声引起的陀螺极限灵敏度与谐振腔的直径和品质因数乘积(DQ)成正比。运用MEMS工艺,制作出直径达1.5 cm、楔角22的谐振腔;通过控制氧化硅腐蚀时掩膜层的参数,获得了不同楔角的谐振腔,并论述了腐蚀楔角跟掩膜层参数的关系。通过耦合测试,该谐振腔品质因数为2106,理论上采用上述谐振腔研制的陀螺, 其极限灵敏度可达6 ()/h。     

Drive-Mode Control for Vibrational MEMS Gyroscopes

This paper presents a novel design methodology and hardware implementation for the drive-mode control of vibrational micro-electro-mechanical systems gyroscopes. Assuming that the sense mode (axis) of the gyroscope is operating under open loop, the drive-mode controller compensates an undesirable mechanical spring-coupling term between the two vibrating modes, attenuates the effect of mechanical-thermal noise, and most importantly, forces the output of the drive mode to oscillate along a desired trajectory. The stability and robustness of the control system are successfully justified through frequency-domain analysis. The tracking error between the real output and the reference signal for the drive mode is proved to be converging with the increase of the bandwidth of the controller. The controller is first simulated and then implemented using field-programmable analog array circuits on a vibrational piezoelectric beam gyroscope. The simulation and experimental results verified the effectiveness of the controller.     

Precise phase control of resonant MOEMS mirrors by comb-drive current feedback

Accurate phase detection and control of nonlinear resonant micro-opto-electro-mechanical system (MOEMS) mirrors are crucial to achieve stable scanning motions and high resolution imaging as needed in precision applications. This paper proposes a precise phase detection method for an electrostatic actuated MOEMS mirror and a novel digital phase locked loop (PLL) that uses an asynchronous logic for high precision driving and immediate phase compensation, while the clock speed is kept low. The phase of the mirror is detected by an amplified current signal, generated by the movement of the comb drive electrodes, transimpedance amplifiers and a simple comparator circuit. An analysis of the proposed detection method reveals that the pointing uncertainty scales with the product of the driving voltage, the curvature of the comb drive capacitance and the angular velocity of the MOEMS mirror at the zero crossing. The developed fast start-up procedure brings the MOEMS mirror to its maximum amplitude within less than 100 ms with a minimum on required prior knowledge of the used device. The low optical pointing uncertainty of 0.3 mdeg obtained in closed loop operation, allows 19000 pixels with a precision of 10 sigma at a scanning frequency of 2 kHz.