MEMS陀螺仪驱动谐振频率的温度补偿方法

微机电系统(MEMS)陀螺的模态谐振频率和品质因子具有较强的温度敏感性,使得MEMS陀螺的输出零偏随温度漂移。为了解决零偏随温度漂移问题,提出了一种基于MEMS微机械陀螺的驱动谐振频率做温度基准的零偏温度补偿方法。温度在-40～60℃范围内变化,经多次循环测量陀螺零偏,获得零偏与温度之间的变化关系,并在此基础上,对零偏进行建模分析。利用谐振频率与温度的线性关系,以驱动谐振频率为温度参考,对陀螺零偏进行实时温度补偿。实验结果表明:上电零偏稳定性由补偿前的143. 81°/h变为补偿后的26. 51°/h,降低了5. 42倍;温度在-40～60℃范围内变化,补偿前后的零偏稳定性分别为1368. 05°/h和62. 86°/h,降低了22倍。     

MEMS微机械陀螺温度特性分析与建模

针对MEMS微机械陀螺的零偏随温度变化波动较大的特性,通过建立MEMS陀螺零偏随温度变化之间的误差模型,在温度范围为-20℃~60℃温箱试验下,分析MEMS陀螺的零偏输出变化,经去除野值后使用建立的误差模型对零偏进行补偿,结果表明,MEMS陀螺仪因温度引起的零偏从最大约为160°/h,经补偿后降至约为10°/h。该温度误差模型使MEMS陀螺的全温区零偏特性得到了一定程度的提升,为提高之后的导航精度打下基础,具有一定的工程价值。     

基于FPGA的硅微陀螺数字测控和温补技术研究

硅微陀螺仪由陀螺结构和测控电路组成,随着模拟接口电路的日臻完善,陀螺仪性能的提升主要靠数字电路中的测控和补偿算法。目前硅微陀螺测控电路正在向芯片化方向发展,为了加速硅微陀螺测控电路芯片化进程,用Verilog硬件描述语言设计了AGC和PLL对陀螺幅度和相位进行闭环控制,科氏力平衡进行闭环检测。对因加工造成的正交误差,设计了正交校正闭环。根据温度对陀螺仪的影响,对标度因数进行线性补偿,对零偏进行了BP神经网络补偿。实验结果表明,该控制系统下AGC相对稳定性为124ppm,PLL相对稳定性为79.1ppm,常温零偏稳定性为2.9o/h。在0℃到65℃温度范围内补偿前零偏稳定性为17.7o/h,补偿后零偏稳定性为9.1o/h,标度因数温度灵敏度降低1个数量级,不仅提升了硅微陀螺仪的性能,也为陀螺ASIC设计奠定了良好基础。     

基于多分辨率分析的硅微陀螺随机漂移时间序列建模

针对硅微陀螺的随机漂移误差,根据多尺度分析理论,提出了随机漂移趋势项提取算法,并应用于时间序列分析,采用波克斯-詹金斯法建立了ARMA模型。进一步采用长自回归-白噪化建模方法对模型进行了辨识和适用性检验。最后,构造Kalman滤波器对ARMA模型进行了滤波,滤波后方差减小了一个数量级,硅微陀螺原始漂移的零偏稳定性为34.428°/h,Kalman滤波后零偏稳定性为2.34°/h,有效地提高了陀螺的使用精度。     

微机械陀螺的误差抑制电路研究

分析了微机械陀螺的正交误差和同相误差的来源及特点,提出了利用静电力反馈控制来抑制误差的技术方案.该方案利用反馈静电力在检测模态上产生等效电刚度和电阻尼,从而影响陀螺仪驱动和检测模态之间的刚度和阻尼耦合系数,进而抑制误差.为实现误差抑制设计了带有反馈校正环节的闭环检测电路并完成了仿真,仿真结果表明校正环节能够使系统的幅值和相位裕度达到25 dB和36.5°.对微机械陀螺进行频谱分析和性能测试比较,结果表明闭环检测情况下,误差量较开环测试减小了50%,标度因子的非线性度从2.89%减小到1.47%、带宽增加了15 Hz、零偏稳定性提高了1.3倍.     

三轴光纤陀螺样机研制及其关键技术

介绍一种小型三轴一体化光纤陀螺仪工程样机的研制.三轴一体化设计是三个光纤陀螺共用一套光源系统和信号处理电路系统,光源采用SLD光源,光源驱动电路为精密温控和恒流源驱动;信号处理电路采用方波调制和阶梯波反馈实现数字闭环;核心光路采用模块化设计;为了提高陀螺温度性能,建立了三轴陀螺全温误差模型并进行了补偿.工程样机测试表明,三轴光纤陀螺零值稳定性小于0.3°/h,零偏重复性小于0.2°/h,标度因数非线性小于50ppm,陀螺温度性能较好,具有较强的抗振动和冲击能力.     

圆柱壳体振动陀螺的模态交换技术研究

针对圆柱壳体振动陀螺的零偏漂移受温度影响大的问题,提出一种模态交换技术的方法。 该方法适用于对称型陀螺,通过驱动轴和检测轴两种单轴工作模态周期性互换,将输出的检测信号进行差分得到陀螺的最终输出。通过对陀螺的动力学模型研究,得出了两种单轴工作模态标度因数相反,零偏漂移变化趋势一致的结论,并通过实验得到了验证,设计了一种基于 FPGA数字电路进行了零偏常温和变温试验,结果显示,在常温下,零偏漂移变化趋势是一致的,零偏变化量通过模态交换方式后能够抑制到单轴模态的37.5％,在变温环境中,温度范围为10℃ ~60 ℃ ,在升降温过程中,驱动轴和检测轴的零偏漂移变化趋势也一致,零偏变化量通过模态交换方式后能够抑制到单轴模态的30%,验证了模态交换技术的可行性,提升了温度稳定性,最后分析了没有被完全抑制部分存在电极增益误差和角度误差。     

驱动微梁形状对微陀螺仪耦合误差的影响分析

为研究微陀螺驱动微梁在加工误差下的微梁形状变化对正交耦合误差、模态耦合以及检测信号的影响,建立了驱动微梁在对角线梁宽误差下的有限元分析模型,采用有限元仿真分析和解析计算相结合的方法研究了U型梁一端梁长的变化对微陀螺正交耦合误差、模态耦合以及检测信号的影响.研究发现,当U型梁一端的梁长为另一端长度的二分之一左右时该类加工误差会引发非常严重的正交耦合误差和模态耦合现象,并对检测信号产生极大影响;当U型梁退化为直梁或者为等长梁的时候,对检测信号的干扰很小、正交耦合误差为零、模态耦合程度最小,而且两者的变化规律呈现正相关.适当地加大单自由度微陀螺驱动模态和检测模态的频率差不仅可增加微陀螺的带宽还可减小耦合的影响.     

一种评价硅微陀螺性能的电路分析方法

硅微机械陀螺批量生产后,传统的微陀螺测试方法耗费时间比较长,需要专用设备,测试系统比较复杂,工作量很大.基于双正弦载波调制的测控电路,经过大量的电路调试工作,首次利用电路分析方法,提出了三种评价硅微陀螺性能的指标.运用此评价指标,对五个硅微陀螺进行了性能评价,性能由高到低依次是G05、G04、G03、G02、G01,并用零偏稳定性指标对G05 、G01进行了验证,G05零偏稳定性67°/h, G01零偏稳定性104°/h.结果表明,电路分析方法可以快速评价硅微陀螺性能,效率高,准确率高.最后,运用电路分析方法进一步优化了微陀螺的结构设计以及改进了相关的制造工艺.     

基于激励-校准法的硅微陀螺仪模态匹配控制电路研究

提出了一种基于激励-校准法的硅微陀螺仪实时模态匹配控制电路,利用了检测模态的幅度响应信号关于其谐振频率对称的特点,采用双边激励信号激励检测模态,通过比较双边信号的响应幅度大小来获得相应的调谐电压,实现模态匹配.介绍了静电负刚度调谐原理;然后设计了基于激励-校准法的硅微陀螺仪实时模态匹配控制方案,并分析了该法的误差来源;在Simulink环境下搭建了模态匹配控制电路模型,验证了该方案的可行性;最后,设计了基于FPGA的自动模态匹配控制电路.实验结果表明,相比于模态不匹配情况,模态匹配后的陀螺仪零偏稳定性系数由1.69 °/h降低到0.42 °/h,静态性能提升了4.02倍;角度随机游走系数由0.046 °/ h降低到0.0195 °/ h,静态性能提升了2.36倍.     

An approach for increasing drive-mode bandwidth of MEMS vibratory gyroscopes

The limitations of the photolithography-based micromachining technologies defines the upper-bound on the performance and robustness of micromachined gyroscopes. Conventional gyroscope designs based on matching (or near-matching) the drive and sense modes are extremely sensitive to variations in oscillatory system parameters that shift the natural frequencies and introduce quadrature errors. Nonconventional design concepts have been reported that increase bandwidth to improve robustness, but with the expense of response gain reduction. This paper presents a new approach that may yield robust vibratory MEMS gyroscopes with better gain characteristics while retaining the wide bandwidth. The approach is based on utilizing multiple drive-mode oscillators with incrementally spaced resonance frequencies to achieve wide-bandwidth response in the drive-mode, leading to improved robustness to structural and thermal parameter fluctuations. Enhanced mode-decoupling is achieved by distributing the linear drive-mode oscillators radially and symmetrically, to form a multidirectional linear drive-mode and a torsional sense-mode; minimizing quadrature error and zero-rate output. The approach has been implemented on bulk-micromachined prototypes fabricated in a silicon-on-insulator (SOI)-based process, and experimentally demonstrated.     

Inherently robust micromachined gyroscopes with 2-DOF sense-mode oscillator

Commercialization of reliable vibratory micromachined gyroscopes for high-volume applications has proven to be extremely challenging, primarily due to the high sensitivity of the dynamical system response to fabrication and environmental variations. This paper reports a novel micromachined gyroscope with two degrees-of-freedom (DOF) sense-mode oscillator that provides inherent robustness against structural parameter variations. The 2-DOF sense-mode oscillator provides a frequency response with two resonant peaks and a flat region between the peaks, instead of a single resonance peak as in conventional gyroscopes. The device is nominally operated in the flat region of the sense-mode response curve, where the amplitude and phase of the response are insensitive to parameter fluctuations. Furthermore, the sensitivity is improved by utilizing dynamical amplification of oscillations in the 2-DOF sense-mode oscillator. Thus, improved robustness to variations in temperature, damping, and structural parameters is achieved, solely by the mechanical system design. Prototype gyroscopes were fabricated using a bulk-micromachining process, and the performance and robustness of the devices have been experimentally evaluated. With a 25 V dc bias and 3 V ac drive signal resulting in 5.8 /spl mu/m drive-mode amplitude, the gyroscope exhibited a measured noise-floor of 0.64/spl deg//s//spl radic/Hz over 50 Hz bandwidth in atmospheric pressure. The sense-mode response in the flat operating region was also experimentally demonstrated to be inherently insensitive to pressure, temperature, and dc bias variations.     

Design, damping estimation and experimental characterization of decoupled 3-DoF robust MEMS gyroscope

This paper reports the design implementation of three degree-of-freedom (3-DoF) non-resonant MEMS gyroscope having 2-DoF drive-mode oscillator. The proposed architecture utilizes structurally decoupled active-passive mass configuration to achieve dynamic amplification of oscillation in 2-DoF drive-mode. This results in higher sensitivity and eliminates the need of mode matching for resonance. A low cost standard Metal-Multi User MEMS Processes (MetalMUMPs) is used to fabricate 20 μm thick nickel based gyroscope with an overall reduced size of 2.2 mm × 2.6 mm. The experimental characterization demonstrated that the frequency response of the 2-DoF drive-mode oscillator has two resonant peaks at 754 Hz and 2.170 kHz with a flat operational region of 1.4 kHz between the peaks. The sense-mode resonant frequency lies at 1.868 kHz within this flat operational region where gain is less sensitive to structural parameters and environmental variations. This results in improved robustness to fabrication imperfections and environmental variations and long term stability without utilizing tuning and feedback control. Gyroscope dynamics and system level simulations using behavioral modeling are carried out to predict the performance of the device. Experimental results show close agreement with the behavioral simulation results due to incorporation of improved damping models in behavioral model developed in CoventorWare.     

一种两级误差放大器结构的LDO设计

基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,设计了一种两级误差放大器结构的LDO稳压器。该电路运用两级误差放大器串联方式来改善LDO的瞬态响应性能,采用米勒频率补偿方式提高其稳定性。两级放大器中主放大器运用标准的折叠式共源共栅放大器,决定了电路的主要性能参数;第二级使用带有AB类输出的快速放大器,用来监控LDO输出电压的变化,以快速地响应此变化。电路仿真结果显示:在电源电压为5 V时,输出为1.8 V,输出电压的温度系数为10×10-6/℃;当电源电压从4.5 V到5.5 V变化时,线性瞬态跳变为48 mV;当负载电流从0 mA到60 mA变化时,负载瞬态跳变为5 mV。且环路的相位裕度为74°,整个电路的静态电流为37μA。该电路结构的瞬态跳变电压值远小于其他电路结构,且能实现低功耗供电。     

高精度激光干涉条纹细分系统

在激光干涉测量中,通常以相位差为90°的两路信号进行辨向计数和细分,而在这两路信号中普遍存在着非正交误差、不等幅误差和直流电平漂移误差,这些误差的存在严重地影响了测量结果的精度。因此,设计了以C8051F单片机为核心的电路补偿模块,采用以Heydem ann模型为基础的误差修正方法,对以上3种误差进行了动态补偿,进而实现了纳米级精度的位移测量。     

谐振式光纤陀螺偏振波动噪声的温度特性

光纤环形谐振腔环境温度变化带来的偏振波动噪声是影响谐振式光纤陀螺检测精度的主要光学噪声源之一,通过控制谐振腔温度,可以使偏振波动噪声得到有效抑制.为了抑制偏振波动噪声,减小R-FOG精度受FRR温度变化的影响,从理论上分析了谐振腔温度变化对谐振曲线、解调曲线的影响;针对不同温度下光纤环的谐振特性、解调曲线特性、陀螺零偏及零偏稳定性开展了实验,并对实验结果进行了分析.结果表明,谐振腔的工作温度为27.00℃时,两本征偏振态相距最远,总谐振曲线关于谐振频率点对称,谐振频率点检测误差可以忽略;陀螺零偏稳定性近似等于谐振腔温度为25.50℃时的1/100,在150 s的采样时间内达到0.07°/s,陀螺检测精度得到很大提高.     

基于多位置的MEMS加速度计快速自标定

针对MEMS加速度计输出信息受自身误差项(如零偏、标度因数、非正交误差等)干扰而影响器件自身测量精度的问题,提出一种不依赖转台设备的快速24位置标定方法.在分析MEMS加速度计输出特性基础上建立MEMS加速度计输出误差模型,设计并展开连续转停标定,利用重力特征实现加速度计误差修正.基于器件零偏、标度因数、非正交误差9个误差参数建立MEMS加速度计标定模型后,提出基于牛顿法对误差参数最优值进行估计.加速度计标定补偿实验结果表明,多位置标定方法能有效补偿自身误差并提高输出加速度信息的精度.     

无磁转台的电子罗盘误差分离标定方法

采用3个分立的磁感式磁传感器和三轴加速度传感器制作了全数字输出电子罗盘;基于自制三轴旋转无磁转台提出了一种电子罗盘标误差分离标定方法.通过无磁转台获取磁传感器敏感轴非正交或未对准的参数和磁传感器输出特性曲线,磁传感器的灵敏度系数因子和偏置量.分别评价偏置、灵敏度系数不一致以及非正交或未对准对电子罗盘方位角精度的影响.实验结果表明:经过校准后,电子罗盘水平面内误差不超过0.22°,而俯仰角和翻滚角在60°内时,方位角最大误差约为0.4°,说明了标定方法的有效性.     

高精度数字式MEMS陀螺仪驱动闭环控制系统设计

为提高微机械陀螺检测灵敏度,设计了一种数字式微机械陀螺驱动闭环控制系统,该系统利用数字锁相环来实现陀螺驱动谐振频率和相位的跟踪,同时利用数字自动增益控制模块实现驱动幅值的稳定控制.该控制系统先是在MATLAB/Simulink平台上进行仿真验证,之后在基于FPGA的验证平台上进行验证.实验结果表明在该数字系统的控制下陀螺驱动起振时间大约为0.6 s,驱动幅值相对稳定性小于10×106,陀螺零偏稳定性达到10.448 °/hr.