硅微机械陀螺的差分电容信号处理技术

本文针对电容式微机械陀螺的接口电路设计、闭环驱动、微弱信号检测和处理等问题开展研究。在充分满足陀螺本身工作需要的甚础上设计并实现了它的接口电路。同时进行了初步的实验分析。得到的结果显示它基本完成了驱动陀螺并且解调检测陀螺信号的功能,并且取得了测试结果。     

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     

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.     

振弦式硅微机械陀螺

提出了一种新的振弦式硅微机械陀螺的设计方案,这一陀螺的制作采用硅微机械工艺.一方面,陀螺驱动模块采用电磁力驱动,这样能极大地提高驱动幅度;另一方面,陀螺检测模块采用差分的双振弦方式,从而提高了检测精度.通过陀螺检测模块的振弦将角速度的变化直接转换成输出信号的频率变化,这样能够极大地提高信号的抗干扰能力.理论分析表明,这...     

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）.     

电容式硅微机械陀螺仪结构设计及仿真

通过对微机械陀螺的调研分析,提出了一种新型微机械陀螺仪,并对陀螺进行了结构设计.该结构采用静电梳齿驱动、栅结构电容检测,使陀螺具有较高灵敏度.驱动模态和检测模态均为滑膜阻尼,能够实现较高的Q值,且具有一定的解耦特性.文中通过仿真分析得到了结构的各阶频率,使陀螺驱动模态和检测模态固有频率匹配,验证了结构的合理性.结合现有...     

振动式微机械陀螺的电学模拟

根据振动式微机械陀螺的动力学模型导出其等效的电学模型，并利用电路模拟工具对其进行了模拟。利用电路模拟结果，分析了陀螺的运动特性。利用这个电学模型，可以与接口电路混合模拟，优化检测电路的设计。     

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.     

驱动刚度非线性对双检测微陀螺性能的影响

驱动刚度非线性的存在会导致幅频曲线出现典型的非线性硬化特性,从而影响双检测微陀螺检测输出信号和灵敏度的稳定性。为对比线性刚度和非线性刚度对微陀螺检测输出的影响规律,首先求解线性刚度下系统的稳态响应,其次采用多尺度法求解非线性动力学方程的近似周期解,并考虑科氏力对检测输出的影响,在此基础上探讨驱动刚度立方非线性对双检测微陀螺系统主共振的幅频曲线、共振频率、灵敏度的影响规律。研究发现:驱动模态共振频率与刚度非线性及振动峰值密切相关;刚度非线性越强,固有频率的漂移量对振幅的变化就越敏感。较弱的驱动刚度非线性就会导致检测一和检测二在驱动模态频率处的幅值大幅下降,由此对微陀螺的输出信号产生极大影响,降低了微陀螺检测信号的稳定性,并与基于线性设计的灵敏度值产生极大的偏差。     

载体加速度对静电驱动微机械陀螺响应的影响分析

载体的运动会导致微机械陀螺的响应发生变化,因而引起测量误差,甚至导致系统故障。针对载体运动对微机械陀螺响应的影响开展研究。考虑载体运动以及微陀螺的非线性支承刚度和非线性静电力,基于拉格朗日方程建立了系统的动力学方程。利用谐波平衡法结合留数定理求解了含分式非线性项的系统的周期响应,研究了载体加速度对系统响应特性的影响,发现驱动方向的载体加速度主要导致系统的灵敏度降低。检测方向的载体加速度除使得系统灵敏度降低,还会导致零偏,且零偏和加速度的大小成正比,但比例系数与驱动电压无关。驱动电压较小时,载体在检测方向较小的加速度对灵敏度和非线性度影响很小;而在驱动电压或者检测方向加速度较大时,系统的灵敏度急剧下降,且非线性度也发生了剧烈变化。     

磁通门CMoS接口电路设计

为实现三端式磁通门接口电路的集成．提出一种新颖的包括驱动和检测功能的磁通门CMOS接口电路．驱动电路采用开关网络和负反馈环实现全差分驱动来替代传统的隔离变压器驱动．通过实时平衡驱动电极上的电压信号来抑制电源电压的漂移以及温度变化的影响．检测电路利用驱动信号二倍频为基准的开关相敏解调实现二次谐波提取,同时采用闭环检测．以提高系统线性度．该电路基于0．5IxmCMOS工艺实现．测试结果表明,该微型磁通门磁力计（三端式探头和CMOS接口电路）的灵敏度为30．8μV／nT,非线性度为0．62％,电源电压为10V,功耗为100mW,芯片面积仅为15．54mm2．     

单芯片集成加速度计陀螺的研究

讨论单片集成加速度计陀螺的结构及其工作原理，并对单结构加速度计陀螺的加速度信号和陀螺信号的分离进行了阐述．在以往的微型惯性测量组合中，加速度计和陀螺是分离的，这样将产生较大的轴间耦合误差．设计了双质量块振动系统，利用一个敏感头同时测量加速度和陀螺信号．在此基础上讨论了陀螺的驱动电路与信号检测电路．     

基于FPGA和DSP的激光陀螺信号处理电路设计

研究机械抖动激光陀螺的信号读出系统,设计激光陀螺的信号处理电路。光电转换后的微弱电流信号经过前置放大电路转化为电压方波信号,在FPGA中进行鉴相解调以及可逆计数,最后由DSP实现机抖偏频解噪和低通数字滤波。与激光陀螺联合测试并将结果输出至上位机,结果表明设计的电路实现了对激光陀螺输出信号的有效采集,满足激光陀螺功能测试的需要。     

Capacitive Sensor Interface for an Electrostatically Levitated Micromotor

This paper presents the design and performance of a capacitive sensor interface dedicated to a microelectromechanical systems (MEMS) micromotor electrically levitated in five DOFs. The position and orientation of the rotor are detected by measuring differential rotor-electrode capacitances with a set of capacitance-to-voltage converters (CVCs). The sensor contains multiplexed electrodes for both capacitive sensing and force feedback, and a set of common electrodes for carrier exciting with an aim to eliminate ohmic connection with the levitated rotor. The proposed interface circuit is based on a symmetrical structure containing two half ac bridges, more robust against parasitic capacitances, capable of detecting capacitance changes with frequency higher than 10 kHz, and able to decouple multiaxis position signals of a levitated rotor. An electronic equivalent model of the sensing circuit has been developed and used to analyze the sensor performance. The major nonidealities and their effects on the accuracy of the position sensing are discussed. The performance of the sensing circuit was experimentally investigated on a prototype interface circuit. The experimental results confirm the principles of operation and the performance of the interface for the multiaxis levitated devices using capacitive position sensors.     

Driving traction on phase boundary interfaces in solids with boundary elements

A method of computing driving tractions for phase transformations is presented. The driving traction calculation requires evaluating the jump in the displacement gradient and the average stress acting across the interface. A bimaterial Green's function is used in a boundary element formulation for the calculation. The Green's function satisfies all interface boundary conditions for the bimaterial providing an efficient formulation for evaluating the necessary jump and average interface terms. We derive a boundary integral equation for calculating the driving traction and apply the developed numerical tool to driving traction calculations in copper-aluminum-nickel.     

再入式光纤陀螺实用化技术研究

再入式光纤陀螺（Re—FOG）使相互干涉的两路光循环进入光纤环,通过缩短光纤长度克服温度和应力引起的误差。本文研究了再入武光纤陀螺实用化的相关技术;提出了一种采用脉冲相位调制的信号检测方法;设计了专门的数据通讯模块。实验结果表明：所提出的信号检测方法可分离出所需循环次数的信号并解算出陀螺转速;所设计的通讯模块能保证实现陀螺与导航计算机之间的快速、稳定、准确的数据传送。再入式光纤陀螺可成为实用化的新型光纤陀螺。     

三轴激光陀螺放电状态监控

对三轴激光陀螺的结构及串扰现象作了简要介绍,提出了放电状态监控电路的必要性.基于所设计的高压稳流电源电路,提出在高压电源每一稳流支路加入一路模拟开关,来控制稳流和状态监控的时序,从而通过监测采样电阻的端电压来实现放电状态的监控,并详细阐述了三轴放电状态监控电路的软硬件实现.最后对电路进行了实验测试,三轴激光陀螺在5s内的点燃率达到100%,电流的长期稳定度优于1×10-4,验证了状态监控电路的可行性和可靠性.     

多普勒计程仪速度参照系统的误差分析

文章分析了一种多普勒计程仪速度参照系统的误差源，该系统由差分卫星定位仪和平台罗经所组成。载体动力与航向控制不稳定、流速不稳定、流向不稳定、差分卫星定位仪的定位误差以及平台罗经的定向误差构成了测速参照系统的误差源。文章还给出了计算机仿真分析结果，从而可以了解速度参照系统的测速误差与主要误差源之间的依存关系。     

A switched-capacitor interface for capacitive pressure sensors

A switched-capacitor interface for a capacitive pressure sensor is developed which provides a linear digital output. It consists basically of a sample/hold circuit followed by a charge-balancing analog-to-digital converter. The sensor capacitance changes hyperbolically with an applied pressure. To convert the nonlinear capacitance change into the linear digital output, two linearization methods are investigated. In either method, a linear digital output with an accuracy higher than 8-b is obtained. Because of its high-accuracy capability and compatible fabrication process, the interface described is best suited for a smart silicon capacitive pressure sensor