真空封装硅微陀螺品质因数的标定

建立了真空封装陀螺的无激励欠阻尼二阶系统模型,用于测量真空封装硅微陀螺的品质因数。对该模型进行理论推导,提出了一种时延常数测试方法。该方法首先利用锁相环路,驱动陀螺实现闭环谐振,获得较大的初始振幅。然后关断激励信号,通过放大电路和解调电路,记录硅微陀螺振荡幅值的衰减过程;用计算机通过Matlab GUI实时采集并拟合振幅衰减曲线,获得时间常数。最后,通过时间常数解算获得真空封装硅微陀螺的品质因数。对真空封装硅微陀螺品质因数的实验测试结果表明:该方法实测数据与理论分析模型的拟合度为99.999%,测试重复性为4.03%,优于传统的扫频测试法的重复性。对比时延常数法与锁相放大器扫频测试法的测试数据显示:时延常数法具有更高的测量精度和更高的测试效率。该方法可以推广到其它高真空封装MEMS器件的品质因数测量。     

硅微陀螺仪零偏稳定性的优化

为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性,使其满足更高精度应用场合的需求,研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例,对影响其零偏稳定性的主要因素：机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析,并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则,优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试,以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明,4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移,且零偏稳定性在6（°）/h左右,达到了中等战术级水平。     

电容式z轴微机械陀螺的噪声抑制

将z轴微机械陀螺两个模态的机械噪声效应等效为各自在单位噪声力作用下的振动,根据陀螺的工作原理得到两个噪声力作用下陀螺敏感模态的机械输出噪声。建立了包含运放和电路板非理想因素在内的接口电路的噪声模型。结合机械噪声模型和接口电路模型噪声,建立了包括结构参数和电路最小检测电容量在内的陀螺的噪声等效输入角速度模型,为陀螺的设计优化提供了参考。分析了结构参数对陀螺等效输入角速度噪声影响,并采用两个参数不同的电容式z轴微机械陀螺进行了实验。结果表明,通过结构参数的调整,将电容式z轴微机械陀螺的输出噪声从414μV/Hz降低至235μV/Hz。     

Experimental Determination of Micromachined Discrete and Continuous Device Spring Constants Using Nanoindentation Method

A rapid and accurate static and quasi-static method for determining the out-of-plane spring constants of cantilevers and a micromachined vibratory sensor is presented. In the past much of the effort in nanoindentation application was to investigate the thin-film mechanical properties. In this paper, we have utilized the nanoindentation method to measure directly some micromachined device (e.g. microgyroscope) spring constants. The cantilevers and devices tested were fabricated using the MUMPS process and an SOI process (patent pending). Spring constants are determined using a commercial nanoindentation apparatus UMIS-2000 configured with both Berkovich and spherical indenter tip that can be placed onto the device with high accuracy. Typical load resolution is: 20 N to 0.5 N and a displacement resolution of 0.05 nm. Information was deduced from the penetration depth versus load curves during both loading and unloading.     

对称解耦硅微陀螺仪结构设计研究

硅微机械陀螺仪的驱动模态和敏感模态间的交叉耦合制约了其性能的提高。设计了一种对称解耦硅微机械陀螺仪,它的驱动机构与检测机构都做线性滑膜阻尼振动且完全解耦,使得驱动和敏感模态之间的耦合小、结构振动平稳性好、品质因数高。该微陀螺仪的驱动与检测支承梁完全相同且对称分布,使得驱动模态和敏感模态的谐振频率受加工误差和温度变化的影响近乎相同,所以频率匹配性好,结构的灵敏度大大提高。实验测试结果表明对称硅微机械陀螺仪的耦合误差得到了有效减小,并且它的驱动和检测谐振频率仅相差6Hz,其品质因数在空气条件下分别为145和117,检测模态的品质因数与采用压膜阻尼振动方式进行检测的硅微机械陀螺仪相比有了显著提高。     

新型摇摆质量微陀螺的设计与制作(英文)

首先介绍了两种结构完全对称的高灵敏度的摇摆质量陀螺.设计并制作了一种对角驱动的新型摇摆质量微陀螺.利用硅的各向异性湿法腐蚀等MEMS体加工技术,简化了该微陀螺的制作工艺.该微结构的对称性、一致性和加工精度有很大改善,尤其是振动梁、激励部件和敏感部件等关键部件.详细阐述了该微陀螺的工作原理和结构设计,完成了微陀螺关键部件的制作和样机组装.利用NF公司的FRA 5087频率响应分析仪测试了样机大气下的振动模态,其中驱动频率为5.563 2 kHz,检测频率为5.553 4 kHz,频差为9.8 Hz,小于0.2%.利用频谱分析的方法测试了样机的哥氏力.测试结果表明这种摇摆质量微陀螺的设计与制作方法是可行的.     

谐振式微机械惯性传感器

对几种典型的谐振式加速度微传感器和微陀螺的结构、工作原理等方面进行了概述,分析了各自的应用特点。从中反映出谐振式微惯性传感器具有优良的特性,必有广阔的应用和发展前景。     

基于响应面法和遗传算法的多自由度微陀螺性能优化

为了兼顾微陀螺的灵敏度和带宽,实现其性能优化,将特征提取、响应面法与遗传算法相结合,提出了一种基于灵敏度和带宽最优化的优化设计方法。该方法基于特征提取确定设计变量及约束条件。通过BBD(Box-Behnken Design)方法采样,结合最小二乘法构建微陀螺灵敏度和带宽的响应面近似模型,运用多目标遗传算法对响应面模型进行优化。通过计算Pareto前沿最优解获得一系列优化方案,可同时将灵敏度和带宽分别提升19%和12%,也可在灵敏度不变的前提将带宽拓展78%,可根据实际需要选择不同的优化方案。对原设计和优化方案进行仿真对比,验证了优化设计结果的正确性。采用该方法对多自由度微陀螺的性能进行分析和优化,能在大大提高优化效率的同时有效提高灵敏度与带宽,为微陀螺的优化设计提供一种新思路。     

反磁悬浮涡流旋转微陀螺的定子研究

介绍的一种反磁悬浮涡流旋转微陀螺的定子研究.利用现有实验设备,通过多次实验摸索,找到了一条实现反磁悬浮涡流旋转微陀螺下定子合理的工艺路径,并进行了测试,测试显示定子结构完整正常.     

微机械陀螺结构的稳健优化设计

本文提出一种基于容差分析的微机械陀螺稳健设计方法,开发了相应的稳健优化设计流程.该方法采用估算目标函数和约束的名义值与扰动值来定义系统稳健性,同时将最坏情况容差作为设计参数的扰动.在集成了器件建模和优化工具的设计环境中开发了相应的自动化设计流程,可用于微机械陀螺的结构设计.优化算法使用遗传算法.讨论了不同的稳健设计方法,结果表明本文的方法能以合适的计算成本获得高质量的结果.系统敏感性分析表明,稳健优化设计结果对误差是不敏感的.采用蒙特卡洛分析检验稳健设计的产出率,结果表明有88%的试验样本是可接受的,而对于确定性优化,仅有50%的可接受样本.微结构已经采用键合-深反应离子刻蚀工艺加工出来.