脉冲密度反馈对力平衡微机械陀螺的影响

通过研究脉冲密度反馈力对微机械陀螺性能的影响,设计了基于机电结合∑△调制器原理的微机械陀螺检测闭环电路.首先,根据微机械陀螺敏感模态的等效形式,分析得出脉冲密度反馈力对敏感模态的影响机理可以分为负刚度效应和增益效应两部分,且负刚度效应与输入角速度无关.然后,根据闭环检测理论建立了角速度和反馈脉冲密度之间的关系、量程与反馈脉冲高电平之间的关系.最后,利用量程设计指标和实际微机械陀螺参数,理论计算了所需的反馈脉冲高电平,并在Simulink中进行了仿真.仿真结果表明,所选参数满足了设计指标,且在正交误差等效输入角速度为0、30和50(°)/s 3种情况下,仿真得到平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为3.6×10-6、3.07％和5.12％.对正交误差等效输入角速度分别为30.4(°)/s和47.3(°)/s的I号陀螺和II号陀螺进行实验,结果表明,脉冲密度反馈力对负刚度的影响不随脉冲密度的变化而变化;得到的平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为2.9％和4.8％,实验与仿真结果符合得到较好.     

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.     

扭摆式硅微加速度计的优化设计

文中介绍了扭摆式硅微加速度计的结构原理和对其进行最大灵敏度优化设计的方法,计算结果表明,对硅微速度计的结构参数进行优化,可以最大限度地提高传感器的性能。     

残余应力对z轴硅微机械振动陀螺仪性能的影响

z轴硅微机械陀螺仪采用体硅薄片溶解法制作,在加工过程中引入了残余应力。从理论上分析了残余应力对z轴陀螺仪工作模态的影响,并采用有限元软件进行了仿真。仿真结果和试验表明,第一回合设计的z轴陀螺仪驱动轴受到张应力作用,应力值约为20～30MPa;检测轴受到压应力的作用。在此基础上提出了两种应力释放结构的设计方案,折叠梁结构的设计和应力释放槽的开设。由第二回合设计的z轴陀螺仪试验结果表明,陀螺仪结构内残余应力得到了较好地释放,大大提高了陀螺仪结构的机械灵敏度。     

微机械陀螺检测接口建模及前置放大器优化

为了进一步提高微机械陀螺的极限分辨率,建立了基于SOI工艺的微机械陀螺的检测接口模型,并设计了与之相匹配的前置接口放大器.首先,根据陀螺表头的实际结构建立了微机械陀螺表头的RC集总参数模型和微机械陀螺检测接口的噪声模型,分析了检测接口主导噪声源及提高极限分辨率的措施.然后,在跨阻式前置放大器的基础上设计了改进的与检测接口匹配的T型前置放大器.实验结果表明:相比于跨阻式前置放大器,采用改进的T型前置放大器的等效噪声输入电流由1.18 pA/√Hz降低至0.27 pA/√Hz,对应的电容极限分辨率可达到0.62 aF/√Hz.结果显示,采用与检测接口匹配的T型前置放大器提高了微机械陀螺的极限分辨率.     

小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次,使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元,通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后,采用复位计数器进行频率数字转换,在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示:该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下,实现了2.5μg/√Hz的分辨率和1μg的零偏不稳定度。此外,为了减小电路自身发热引起的温度漂移,该样机的功耗被控制在3.5mW以内,系统集成后的尺寸约为45mm×30mm×20mm。基于所述技术,系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。     

硅微陀螺仪正交耦合系数的计算及验证

硅微陀螺仪多采用微机械加工工艺制作,其加工的相对精度较低,从而易产生正交耦合误差,影响陀螺仪的输出。为了优化设计硅微陀螺仪结构,提高其性能,本文建立了陀螺仪正交耦合系数的理论分析模型。首先,利用能量方法推导陀螺仪驱动梁的面内刚度;然后,建立陀螺仪的刚度矩阵;最后,推导了正交耦合系数的理论计算公式。针对本课题组研制的双质量振动式硅微陀螺仪,理论计算出其直接耦合系数为4.74×10^-5,二次耦合系数为8.44×10^-7。得到的陀螺仪的正交耦合系数为4.75×10^-5,与仿真值相差8.7%。分析得到陀螺仪正交耦合系数的最大值为2.18×10^-4,与仿真值相差7.9%。最后,实验验证了计算结果的正确性。得到的结果表明,建立的正交耦合系数理论分析模型可为硅微陀螺仪的结构优化设计提供理论依据和实际指导。     

硅微陀螺仪的机械耦合误差分析

机械耦合误差是硅微陀螺仪的主要误差之一,为了向减小或消除机械耦合误差提供理论依据,研究了机械耦合误差的产生机理。本文以z轴硅微陀螺仪为研究对象,以动力学方程和矩阵理论为基础,分析了由于加工非理想性产生的不等弹性、阻尼不对称和质量不平衡产生的误差信号,建立了机械耦合误差信号的数学模型,并定量分析了z轴硅微陀螺仪样品的机械耦合误差信号。结果表明,机械耦合误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号,其中正交耦合误差为主要误差信号,且主要由不等弹性产生。最后,测试了z轴硅微陀螺仪的正交耦合误差信号,为342.59 º/s,且与理论结果相吻合。因此,抑制和补偿正交耦合误差是减小机械耦合误差的关键技术之一。     

硅微振动陀螺仪设计与性能测试

介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测.利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构.为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空封装技术实现了器件级真空封装,并消除了轴向加速度等共模干扰的影响.陀螺电路采用自激闭环驱动、开环检测的方式,简化了电路.为了降低环境温度对陀螺零偏的影响,研究了既定范围内陀螺的输出特性,建立了陀螺输出与温度之间的关系模型,设计了温度补偿电路,降低了陀螺整表的功耗和体积.对采用上述技术的硅微陀螺仪进行了性能测试,测试结果表明,陀螺Q值＞100 000,量程为±500(°)/s,标度为21.453 mV·(°)-1s-1,非线性和对称性分别为36.905×10-6和184.125×10-6.常温下陀螺零偏稳定性为7.714 3(°)/h,带宽为100 Hz,整表体积为31mm×31mm×12mm,功耗为288 mW.该陀螺仪性能好、体积小、功耗低,在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景.     

硅微振梁式加速度传感器中微杠杆结构的设计

提出了一种采用微杠杆结构进行惯性力放大的硅微振梁式加速度传感器结构,阐述了其工作机理.在此基础上,讨论了两种不同的支点形式,分别推导了这两种结构形式的放大倍数计算公式,发现Ⅰ型支点形式的放大倍数略高于Ⅱ型支点,并采用有限元方法进行了仿真;分析了支点刚度以及输出轴刚度对放大倍数的影响;提出了微杠杆结构设计的原则.