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COVENTER WARE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.     

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.     

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。     

半导体泵浦双向固体环型激光器的单纵模实现

综述了使用半导体泵浦的固体环型激光器的优点——可以使激光陀螺实现全固体化、提高光束质量并减小陀螺的锁区,但是由于半导体泵浦的固体环型激光器工作于多纵模状态,对陀螺的精度有很大影响。介绍了可以实现固体环型激光器单纵模的方法,即色散法、FP干涉法、复合腔法等,并对国内外最近出现的实现单纵模的方法进行了总结和比较。得出FP干涉法是最直接有效的方法,其它方法可以进一步在固体环型激光器中验证。     

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....     

Investigation of Characteristics of Electrostatically Actuated MEMS Switch with an Active Contact Breaking Mechanism

The electrostatically actuated MEMS switch with resistive contact is presented. The movable electrode is a beam suspended on its torsion hinges. The contact material is platinum. The switch has an active breaking mechanism making it possible to protect it against stiction and provide a low actuation voltage. The measuring technique for the operating characteristic in the “hot” mode under a low direct current is described. The pull-in voltage and the breaking voltage, the switching time, and the dependence of the contact resistance on the number of actuation cycles are measured. The wear of contact surfaces is investigated. The operation of the switch in a bistable mode is demonstrated, in which the closed condition is maintained without applying the actuation voltage and the state transition occurs due to the active contact breaking mechanism.     

0.34 THz折叠波导行波管设计及流通管实验

以0.34 THz折叠波导行波管为研究对象,分析了慢波结构的色散特性、耦合阻抗、冷损耗特性和工作模式等,并按优化后折叠波导慢波结构的要求设计电子光学系统,进行流通管实验,得到电子注通过率大于80%的实验结果。最后对输入输出结构进行优化设计,满足中心频率为0.345 THz,带宽大于10 GHz,输出功率大于20 mW的0.34 THz折叠波导行波管设计要求。     

杠杆耦合式微机械陀螺仪特性分析

基于机械杠杆的位移放大效应,提出了一种具有微杠杆结构的电容检测式微机械陀螺结构,所设计的杠杆放大机构设置在陀螺的检测模态中,通过杠杆将科氏质量块的检测位移放大传递到检测框上,以提升检测位移。建立杠杆结构陀螺的二阶振动微分方程,分析了杠杆结构对微机械陀螺结构静刚度和固有频率的影响,探讨了在不同结构条件下杠杆结构对检测位移的放大效果。通过仿真验证了理论的准确性与可行性,结果表明,在陀螺谐振情况下,可有效增大检测框位移60%以上,提升了检测位移,进而提升检测灵敏度。     

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.     

横流CO2激光器的折叠式谐振腔研究

在横流ＣＯ２激光器中折叠式谐振腔,不仅能改善光束质量,而且有提高转换效率。文章地折叠式谐振腔的折数确定,转折镜的选择,谐振腔的总体结构进行了分析研究,并设计了一种七折光学折叠腔,在大功率横流激光器上取得了良好的实验效果,获得了千瓦级基模激光输出。     

直角内圆锥面全反镜折叠腔激光器的输出特性

为简化高功率激光器谐振腔结构,提高激光谐振腔的稳定性特别是热稳定性,增加基模体积,改善光束质量,采用直角内圆锥面反射镜作为全反镜,平行平面镜作为输出镜组成新型激光谐振腔.实验结果表明,在圆锥全反镜失调角小于37.3′时,圆锥折叠腔激光器的单脉冲输出能量下降小于5%,且近场输出光斑没有明显变化;经模式仪分析表明,圆锥折叠腔激光近场光强分布均匀.圆锥反射镜折叠具有非常强的抗失调能力,结构简单,便于安装调整,特别适合于恶劣环境下的强激光系统应用.