基于平板电极的半球谐振陀螺全角技术研究

全角模式下的半球谐振陀螺是速率积分陀螺,具有测量范围宽、带宽高和精度高等特点。该文对由谐振子和平板电极组成的两件套半球谐振陀螺的全角模式进行了研究,介绍了全角模式振型控制与信号解算方法;通过FPGA+DSP的构架,实现了全角模式半球谐振陀螺振型控制,并解算了驻波方位角。实验数据证实,研制的两件套半球谐振陀螺样机能够实现速率积分陀螺的功能,测量范围达±400 (°)/s,陀螺最大系统漂移20 (°)/h。相对于力平衡模式半球谐振陀螺,其拓宽了半球谐振陀螺的测量范围,为进一步提升全角半球谐振陀螺的精度奠定了基础。     

半球谐振陀螺力反馈模式下信号处理方法分析

半球谐振陀螺是一种全固态振动陀螺,力反馈工作模式是其普遍采用的工作模式,而力反馈模式下其信号解调方法对白噪声的敏感度将决定其随机漂移指标。该文就力反馈模式下半球谐振陀螺的信号处理方法对白噪声的敏感度进行了研究,推导了4种信号处理方法(峰值采样解调、开关积分解调、全相位快速傅里叶变换(FFT)解调和相干解调)的计算公式,并采用monte-carlo方法仿真了在白噪声背景下的4种解调方法的性能。结果表明,全相位FFT解调法在不同信号强度下对白噪声均最不敏感,为半球谐振陀螺的信号处理与闭环控制设计提供了理论依据。     

力平衡模式下半球谐振陀螺数字控制回路设计

由于半球谐振陀螺(HRG)特殊的工作原理、制作工艺及装配误差对陀螺精度和性能的影响,需控制电路对其进行修正和补偿,现有半球谐振陀螺控制电路对陀螺的精度提高有限,仅达0.07(°)/h。该文主要阐述了半球谐振陀螺在力平衡模式下的工作原理,对半球谐振陀螺的误差进行了分析,介绍了比例、积分、微分(PID)控制算法,并对所设计的数字控制回路进行分析。试验结果表明,采用该数字控制回路设计方案能有效改善半球谐振陀螺性能,与已有控制电路比,陀螺精度可达0.005(°)/h,更好地满足了其应用于航空领域的精度要求。     

力反馈模式半球谐振陀螺幅度控制方法优化

半球谐振陀螺(HRG)幅度控制环路用于陀螺的振动激发和振动幅度维持,工作于力反馈模式的半球谐振陀螺,其标度因数与陀螺振动幅度成正比。该文对半球陀螺力反馈模式工作原理进行了理论推导,然后分析了传统幅度控制方式受外界温度变化、电子元器件老化等原因影响,将会导致半球陀螺标度因数发生变化,最后提出了半球陀螺幅度控制的优化方法,在实现相同标度因数稳定性的的情况下,大幅降低电路实现难度。     

半球谐振陀螺总剂量辐照效应性能研究

半球谐振陀螺是一种高可靠的哥氏振动陀螺,在宇航领域有广泛的应用前景。该文研究了在空间辐照环境下总剂量辐照效应对半球谐振陀螺性能的影响,分析了总剂量辐照效应对半球谐振陀螺不同功能模块的影响,包括陀螺敏感头、信号检测电路及控制电路,并进行了总剂量辐照试验验证。结果表明,100 krad(Si)的总剂量辐照对半球谐振陀螺的性能无明显影响,半球谐振陀螺的抗辐照能力能够满足高轨道航天器的应用需要。     

基于HNA溶液腐蚀的微半球谐振陀螺研究进展

基于微电子机械系统(MEMS)加工技术的微半球谐振陀螺在吸收了传统半球陀螺全角测量优势的同时具有体积小,质量轻,成本低以及适合批量化生产的特点。在使用牺牲层法来制备微半球壳层结构的过程中,如何在单晶硅上制作一个表面光滑的、结构整体对称性高的半球型模具对于半球谐振子的性能有决定性的影响。在HNA(氢氟酸、硝酸、醋酸)各向同性腐蚀液制作微半球谐振子模具的原理基础上,介绍基于HNA溶液各向同性腐蚀的微半球谐振陀螺研究进展,指出了各向同性腐蚀工艺目前所面临的主要技术问题,并对此提出了一些可能的解决途径。     

半球谐振子不平衡力的推导及与驻波关系研究

半球谐振陀螺作为一种高精度的陀螺仪,具有良好的学术研究价值及重要的应用价值,是国内外研究的热点。半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,是一种工作中做四波腹振动的半球壳结构。由于在实际加工过程中存在误差,因此实际的谐振子无法达到理想的轴对称结构,这将导致谐振子在做四波腹振动时产生其他振动,从而对陀螺的精度产生影响。其主要原因是谐振子做四波腹振动时,非轴对称结构将产生非对称的惯性力。为此,该文对谐振子的不平衡力进行了理论推导,给出了半球谐振陀螺不平衡力的理论公式,并通过数值计算给出不平衡力与驻波方位间定量的关系,为分析不平衡质量对陀螺精度的影响提供参考。     

半球谐振陀螺现状及发展趋势

半球谐振陀螺仪是一种高精度、高可靠和长寿命的新型固态陀螺仪,它具有一系列独特的优点,且是目前唯一达到惯性级性能的振动陀螺,受到惯性技术界的极大关注。该文在分析了国内外有关半球谐振陀螺报道的基础上,对半球谐振陀螺的发展历程,国内外研究情况、现状等进行了综合报道和评述,并对半球谐振陀螺的发展前景进行了展望。     

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。     

基于FPGA的压电半球谐振陀螺数字测控系统设计

为了控制并提高压电半球谐振陀螺仪的检测精度,采用力反馈模式下的驱动检测方法实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)的半球谐振陀螺数字式闭环测控系统,并完成了硬件实现。最后,通过对数字测控系统的仿真和转台测试实验,得到陀螺标度因数为1.428mV/(°/s),验证了此方法的有效性。     

检测误差对半球谐振陀螺进动因子的影响分析

全角(WA)模式的半球谐振陀螺(HRG)进动因子只与球壳谐振子的物理尺寸有关,但由于读出电极非正交耦合及间隙失配、检测电路增益误差等检测误差,导致进动因子的周向一致性退化。该文首先对理想半球谐振陀螺的进动因子进行了理论推导,然后针对检测误差对进动因子的影响进行了分析,结合具体的全角模式控制电路与算法,提出了检测误差的校正方法,最后通过实验验证了该校正方法的有效性。实验结果表明,进动因子的周向一致性提升了2个数量级。     

一种新的微机械陀螺品质因数测试方法

传统的微机械陀螺采用扫频方法测试结构的品质因数,存在耗时长、测量效率低和精度差等问题.提出了一种新的品质因数测量方法,该方法的原理是通过对陀螺的驱动端施加一个激励脉冲,采集驱动检测端的相应衰减信号,并通过处理得到衰减信号的频率和斜率,从而检测陀螺的品质因数.采用自行设计的激励电路,外购NI公司的高速采集卡和基于LabV...     

基于MODBUS协议的半球陀螺控制软件设计

采用了MODBUS协议作为半球谐振陀螺(HRG)数字控制电路系统的通讯协议,介绍了半球陀螺的控制原理和MODBUS协议,给出了软件具体设计途径。经过实践应用,采用MODBUS协议能很好地满足半球陀螺数字控制电路的开发要求。     

The effect of parasitic charge on the output stability of MEMS gyroscopes

Output voltage drifting was observed in MEMS gyroscopes.Other than the quadrature error,frequency mismatch and quality factor,the dielectric parasitic charge was thought to be a major determinant.We studied the mechanism and variation of the parasitic charge in the MEMS gyroscopes,and analyzed the effect of the parasitic charge on the output stability.This phenomenon was extremely obvious in the Pyrex encapsulated MEMS gyroscopes.Due to the DC voltage required for the electrostatic actuation,the parasitic charge in the dielectric layer would accumulate and induce a residual voltage.This voltage had an impact on the resonant frequency of the gyroscopes,so as to affect the output stability.The theoretical studies were also confirmed by our experimental results.It was shown that the parasitic charge was harmful to the output stability of MEMS gyroscopes.     

一种硅微机械陀螺制造方法研究

给出了一种硅微机械陀螺制造方法,该方法可适用于各种不同的微机电系统(MEMS)器件,包括加速度计、剪切应力传感器及MEMS光开关等。利用该方法制备了硅微机械陀螺,并给出了该陀螺的性能测试结果。同时分析了利用该方法制备各种不同器件时,工艺流程对器件性能的影响,重点讨论了硅-玻璃阳极键合、减薄工艺及深刻蚀所形成的侧壁质量,包括侧壁垂直度、侧壁杂质等因素对器件性能的影响。     

微机械陀螺仪的新进展及发展趋势

微机械陀螺仪是陀螺技术和微电子机械系统(MEMS)技术结合产生的新一代惯性器件。根据其工作原理和采用材料的不同,微机械陀螺可分为硅基微机械振动陀螺(Si-MVGs)、微机械压电振动陀螺(PVGs)和悬浮转子式微机械陀螺等。该文介绍了微机械陀螺仪的主要参数指标和应用,对硅基微机械振动陀螺(Si-MVGs)、微机械压电振动陀螺(PVGs)和悬浮转子式微机械陀螺的最新研究进展作了综合性报道,讨论了微机械陀螺未来的发展趋势。     

圆片级真空封装技术在MEMS陀螺中的应用

为维持MEMS硅微陀螺的真空度,利用两次硅-玻璃阳极键合和真空长期维持技术,实现了MEMS硅微陀螺的圆片级真空气密性封装。制作过程包括:先将硅和玻璃键合,在硅-玻璃衬底上采用DRIE工艺刻蚀出硅振动结构;再利用MEMS圆片级阳极键合工艺在10-5 mbar(1 mbar=100 Pa)真空环境中进行封装;最后利用吸气剂实现圆片的长期真空气密性。经测试,采用这种方式制作出的硅微陀螺键合界面均匀平整无气泡,漏率低于5.0×10-8 atm.cm3/s。对芯片进行陶瓷封装,静态下测试得出品质因数超过12 000,并对样品进行连续一年监测,性能稳定无变化。     

ICP硅深槽刻蚀中的线宽控制问题研究

在高密度反应离子刻蚀技术中 ,存在明显的线宽损失 ,对小尺寸MEMS结构影响很大 ,将使MEMS器件灵敏度下降 ,稳定性降低。本文介绍了一种减小线宽损失的新工艺技术 ,在初始阶段的刻蚀步骤中加入剂量逐渐递减的钝化气体C4 F8,同时适当减小循环周期的刻蚀时间 ,使线宽损失由原来常规刻蚀工艺中的 15 5nm减少到 5 5nm。此项技术已经应用于MEMS陀螺的制造工艺中 ,取得了很好的结果     

MEMS微陀螺仪研究进展

回顾了MEMS微陀螺仪的研究进展,简单介绍了MEMS微陀螺仪的市场应用。微陀螺仪是MEMS器件中非常重要的一类器件。它的运用已经从单纯的航空领域逐渐转向汽车、消费电子行业等低端市场,这意味着微陀螺仪除了传统意义上的高精度高稳定性的要求,也可以向低精度商品化发展。传统的振动式陀螺,由于原理的局限性和加工技术的限制,很难达到战术级和惯性级的要求。导航级集成微陀螺(NGIMG)项目建议使用其他途径,以减少器件的可移动部件和降低工艺难度,从而提高其精度和抗干扰能力。各种设计方法近年来层出不穷,其中悬浮转子式微陀螺是目前精度最高的陀螺仪,微集成光学式陀螺也将在未来一段时间拥有巨大的研究潜力和发展空间。     

基于微小型稳定平台的MEMS陀螺信号调理电路设计与测试

为提高MEMS陀螺的使用精度,本文基于微小型稳定平台应用背景设计了高精度MEMS陀螺信号调理电路,实验表明该电路提升了陀螺仪的使用精度。本文设计的调理电路采用高速24位Δ-Σ型A/D转换电路和高精度差分放大器对陀螺信号进行处理。基于MEMS陀螺仪搭建了两轴陀螺组件,并将两轴陀螺组件安装于高精度三轴转台,进行测试。采集MEMS陀螺模拟输出和数字输出数据,分别进行Allan方差分析。结果表明：该调理电路使X轴MEMS陀螺零偏不稳定性指标提升13.63%,Y 轴MEMS陀螺零偏不稳定性指标提升19.347%。