音叉振动式微机械陀螺弹性梁的研究

以一种音叉振动式微机械陀螺为研究对象,建立了四自由度微机械陀螺动力学模型,重点分析了驱动微弹性梁和检测微弹性梁刚度较大方向的微弹性系数对微机械陀螺动力学性能的影响.设计了三段检测梁和两段驱动梁并推导出其微弹性系数公式,建立了微弹性梁的评价函数,通过实例解析对微机械陀螺动力学性能进行了优化.结果表明:优化后的微机械陀螺具有较好的健壮性和较高的灵敏度.此研究结果适用于音叉式微机械陀螺,而且对其它MEMS器件的设计具有重要的参考价值.     

具有栅结构与静电梳齿驱动的电容式微机械陀螺的仿真、设计与测试

电容式陀螺仪是一种振动式陀螺仪,由于加工的特殊性使其具有了传统的陀螺无法比拟的优点,从而拓宽了其应用领域.为了提高陀螺仪的检测精度,本文提出了一种静电梳齿驱动、栅结构的电容式检测的微机械陀螺仪的设计方法,并分析了其工作原理.运用ANSYS软件对陀螺结构进行了仿真和模态分析,仿真结果与理论计算结果相接近.所设计的陀螺结构采用体硅标准工艺方法进行了设计,并对其进行了流片加工和封装,最终得到了电容式微机械陀螺仪.实验测试的结果表明,陀螺驱动模态的固有频率为4.06kHz,灵敏度为0.027 9 v/((°)s-1).     

电磁驱动微机械陀螺接口电路的研究

电磁驱动电容检测的力平衡微机械陀螺相对于压阻检测等方式的其他形式的微机械陀螺来说,具有高灵敏度及高精度的突出优点,但是其接口电路也比较复杂.这一接口电路从功能上可分为驱动电路和检测电路两个部分:驱动电路的主要功能是使微机械陀螺产生在驱动模态固有频率下的振幅稳定的正弦振动;检测电路的主要功能是拾取陀螺所产生的角速度信号....     

一种全对称微机械陀螺的双级解耦机构特性

为了实现微机械陀螺的频率匹配和双级解耦,提出了一种全对称双级解耦结构体硅微机械陀螺.该陀螺结构完全对称,容易实现驱动和检测模态谐振频率的匹配,提高系统灵敏度.驱动和检测方向的主要阻尼均为滑膜阻尼,在常压下工作也可以获得较高的品质因子,避免了器件的真空封装.利用4组十字折梁,实现了结构的双级解耦.仿真结果表明,模态之间的耦合系数小于0.17%.采用体硅微机械加工技术制作了样品,关键工艺有硅-玻璃阳极键合和DRIE技术.基于计算机图像技术对微机械陀螺进行了测试,验证了陀螺的解耦功能,在常压条件下测得该陀螺的品质因子为195,灵敏度为8.031 mV/（（°）.s^-1）.     

静电驱动压阻检测微机械陀螺仪的研究

对静电驱动压阻检测微机械陀螺仪进行了结构设计并对工作原理进行了介绍．与硅压阻器件相比,本文利用多势垒纳米膜所具有的压阻效应作为检测方式,实现了较高的压阻灵敏度;采用硅基异质外延砷化镓薄膜工艺进行陀螺结构以及多势垒纳米膜器件的加工,较好地实现了工艺的兼容．通过对结构进行模态仿真,确定了陀螺的固有频率．     

一种新型微机械陀螺的研究

设计了一种检测模态和驱动模态具有相近品种因子的微机械陀螺。这种我们称之为栅型结构的陀螺由悬空弹簧将具有栅条的检测质量块与衬底相联。计算结果表明,这种器件在大气压条件下其驱动模态和检测模态的品质因子几乎同为140。同时,计算结果还表明可以获得比较平坦的较大带宽。采用硅－玻璃键合和深反应离子刻蚀技术制作了这种器件。     

锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺的结构设计与振动分析EI北大核心CSCD

设计了锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺,分析了结构的模态顺序与振动灵敏度特性。所设计的结构驱动方向采用反平行杠杆机制,检测方向使用四根线弹性梁连接的锚点耦合圆环梁,实现了驱动方向和检测方向模态顺序的优化,其检测方向的同相频率比反相频率提高了30%。建立了音叉式陀螺的二阶振动微分方程,利用坐标变换法得出锚点耦合式比传统耦合式结构的反相和同相振动输出分别降低了74.8%与88.0%,并进行了Ansys仿真分析验证。在不牺牲陀螺灵敏度的前提下,锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺能够很好地实现模态优化和大幅降低振动输出误差。     

锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺的结构设计与振动分析

设计了锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺,分析了结构的模态顺序与振动灵敏度特性。所设计的结构驱动方向采用反平行杠杆机制,检测方向使用四根线弹性梁连接的锚点耦合圆环梁,实现了驱动方向和检测方向模态顺序的优化,其检测方向的同相频率比反相频率提高了30%。建立了音叉式陀螺的二阶振动微分方程,利用坐标变换法得出锚点耦合式比传统耦合式结构的反相和同相振动输出分别降低了74.8%与88.0%,并进行了Ansys仿真分析验证。在不牺牲陀螺灵敏度的前提下,锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺能够很好地实现模态优化和大幅降低振动输出误差。     

微机械隧道陀螺的振动特性测试

结合微机械陀螺仪和隧道效应的特点,提出了角振动微机械隧道陀螺仪的工作原理和结构设计方案。针对微机械陀螺的驱动和检测在面内和面外的结构特点,制定了图像处理法、静电力阶跃激励法和机械激励法等振动特性测试方法,在大气环境下分别对隧道陀螺仪驱动和检测模态的振动特性进行了测试,得到了相应的谐振频率,采用不同的方法得到的结果基本一致。     

基于锁相技术的微机械陀螺闭环驱动电路

传统的闭环驱动电路其输出信号的频率与微机械陀螺驱动方向的固有频率存在一定偏差,且频率抖动较大,系统的建立时间较长．基于上述不足,在分析微机械陀螺闭环驱动方式工作原理的基础上,提出一种基于锁相技术的闭环驱动电路方案,电路进入稳定工作状态时,交流驱动电压与驱动方向敏感电流的相位及频率一致．微机械陀螺在驱动方向谐振,显著改善了输出信号的频率特性．仿真结果表明,这种闭环驱动电路输出信号频率与微机械陀螺驱动模态固有频率完全一致,频率抖动及系统建立时间分别是传统闭环驱动电路的38％和50％．通过实验验证了该方法的可行性     

大气下空气滑膜阻尼对微机械惯性传感器的影响

 设计并制作了一种可在大气下工作的栅结构电容式微机械加速度传感器,并对其空气滑膜阻尼特性进行了研究．测试结果表明该种结构机械品质因子Q值在大气压下能达到504．这种具有高Q值的栅形电容检测结构可以应用到微机械陀螺的检测模式,它无需真空封装,可以在大气环境下工作,且灵敏度提高．对陀螺原型的测试结构表明,其在大气下检测模态的Q值可以达到715。     

Modal Coupling in Micromechanical Vibratory Rate Gyroscopes

The authors present modeling approaches to describe the coupling of modes in a resonant vibratory rate gyroscope. Modal coupling due to off-diagonal stiffness and damping terms is considered. Three analytical modeling approaches are presented in the context of a$z$-axis micromechanical vibratory rate gyroscope fabricated in an integrated polysilicon surface-micromachining process. The first approach is based on frequency-response analysis of the gyroscope output. The second approach takes the route of state-space-based system identification to identify the modal-coupling parameters. A third approach based on measured vibration data identifies the coupling parameters due to stiffness and damping. These three methods are then applied to predict the extent of displacement and force coupling between the drive and the sense axes of an existing device as a function of varying degrees of matching between the resonant frequencies associated with the drive and the sense modes. Experimental data show that as the resonant frequencies of the drive and sense modes are brought closer together, an improvement in overall resolution and scale factor of the device is obtained at the expense of an enhanced coupling of forces to displacements between the two axes and the onset of instability for an open-loop sensing implementation.     

Towards a biomimetic gyroscope inspired by the fly's haltere using microelectromechanical systems technology

Flies use so-called halteres to sense body rotation based on Coriolis forces for supporting equilibrium reflexes. Inspired by these halteres, a biomimetic gimbal-suspended gyroscope has been developed using microelectromechanical systems (MEMS) technology. Design rules for this type of gyroscope are derived, in which the haltere-inspired MEMS gyroscope is geared towards a large measurement bandwidth and a fast response, rather than towards a high responsivity. Measurements for the biomimetic gyroscope indicate a (drive mode) resonance frequency of about 550 Hz and a damping ratio of 0.9. Further, the theoretical performance of the fly''s gyroscopic system and the developed MEMS haltere-based gyroscope is assessed and the potential of this MEMS gyroscope is discussed.     

硅微z轴谐振陀螺仪负电刚度效应分析及实验验证

介绍了在开环工作状态下硅微z轴谐振陀螺仪由于加工工艺缺陷所导致的误差机理。为减小陀螺仪初始电容差和抑制正交耦合误差，提出了一种闭环控制检测策略。重点分析了其力矩反馈器的电刚度效应并给出其线性数学模型表示式。通过对硅微z轴陀螺仪敏感模态的反馈力与谐振频率的关系分析，间接得出了在敏感方向上电负刚度与力矩器所施电压的内在联系，并在实验上进一步验证电刚度效应。这将为下一步闭环控制方案的设计奠定重要基础。     

硅微z轴谐振陀螺仪负电刚度效应 分析及实验验证

介绍了在开环工作状态下硅微z轴谐振陀螺仪由于加工工艺缺陷所导致的误差机理。为减小陀螺仪初始电容差和抑制正交耦合误差,提 出了一种闭环控制检测策略。重点分析 了其力矩反馈器的电刚度效应并给出其线性数学模型表示式。通过对硅微z轴陀螺仪敏 感模 态的反馈力与谐振频率的关系分析,间接得出了在敏感方向上电负刚度与力矩器所施电压的 内在联系,并在实验上进一步验证电刚度效应。这将为下一步闭环控制方案的设计奠定重要 基础。     

石英陀螺闭环自激驱动电路(英文)

为使石英陀螺满足高性能、小型化和集成化需求,设计石英陀螺专用集成电路接口芯片势在必行.本文通过分析石英陀螺表头的机电特性,得出方波驱动方式是系统性能和复杂程度的折衷.据此设计了一种闭环自激驱动电路.该电路与石英结构形成反馈环路,从而实现陀螺的自激驱动,并通过自动增益控制电路实现幅值稳定.该电路已用0.5μm CMOS工艺实现,测试结果表明该电路可以实现稳幅稳频的驱动,幅值稳定度0.01%.集成该驱动电路的石英陀螺系统达到战术级性能.     

微静电陀螺仪的结构设计与工艺实现

为了探索微机械陀螺突破精度极限的新途径,设计了一种基于环形转子、体硅加工工艺、转子5自由度悬浮的硅微静电陀螺仪.采用玻璃-硅-玻璃键合的三明治式微陀螺结构,提出了包括双边光刻、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀、玻-硅静电键合、硅片减薄、多层金属溅射等关键工艺的加工路线.在工艺设计中采用铝牺牲层对转子进行约束,在第2次玻-硅键合后再通过湿法去除牺牲层,以得到可自由活动的转子.基于提出的体硅工艺路线,成功加工出了微陀螺敏感结构,并完成了转子5自由度悬浮和加转实验,测试结果表明大气环境下转子转速可达73.3 r/min.     

变结构PID在微机械陀螺仪闭环驱动电路中的应用

为满足微机械陀螺仪(MMG)闭环驱动电路起振快速、无超调且稳态精度高等要求,提出了一种基于FPGA的数字化变结构PID控制器,并以其为核心构建了微机械陀螺仪的数字化闭环驱动电路.通过构造以控制误差为自变量的比例增益、积分增益和微分增益函数,使变结构PID的结构和参数能够根据瞬时误差的变化而变化,以提高闭环驱动电路的性能.针对某型微机械陀螺仪敏感结构参数,进行了SIMULINK仿真,仿真结果表明以变结构PID为核心的闭环驱动电路是可行的.起振实验结果表明,经典PID构成的闭环驱动电路,其检测电压的幅值超调量达到了75%,稳定时间为2 s;采用变结构PID控制器后闭环驱动检测电压的幅值无超调且稳定时间为0.7 s;1 h的稳定性实验表明,采用经典PID时检测电压幅值的长期稳定性为2.73×10-5V,采用变结构PID时其稳定性为2.68×10-5V,证明变结构PID可以兼顾系统在快速性、超调量和稳态精度等方面的要求.     

Nonresonant micromachined gyroscopes with structural mode-decoupling

This paper reports a novel four-degrees-of-freedom (DOF) nonresonant micromachined gyroscope design concept that addresses two major MEMS gyroscope design challenges: eliminating the mode-matching requirement and minimizing instability and drift due to mechanical coupling between the drive and sense modes. The proposed approach is based on utilizing dynamical amplification both in the 2-DOF drive-direction oscillator and the 2-DOF sense-direction oscillator, which are structurally decoupled, to achieve large oscillation amplitudes without resonance. The overall 4-DOF dynamical system is composed of three proof masses, where second and third masses form the 2-DOF sense-direction oscillator, and the first mass and the combination of the second and third masses form the 2-DOF drive-direction oscillator. The frequency responses of the drive and sense direction oscillators have two resonant peaks and a flat region between the peaks. The device is nominally operated in the flat regions of the response curves belonging to the drive and sense direction oscillators, where the gain is less sensitive to frequency fluctuations. This is achieved by designing the drive and sense anti-resonance frequencies to match. Consequently, by utilizing dynamical amplification in the decoupled 2-DOF oscillators, increased bandwidth and reduced sensitivity to structural and thermal parameter fluctuations and damping changes are achieved, leading to improved robustness and long-term stability over the operating time of the device.