微悬臂梁器件制作工艺的可靠性研究

由于传统机械加工方法不能实现微型悬臂梁阵列加工的需要,故微悬臂梁阵列的制作需要采用MEMS技术,针对MEMS中微悬臂梁制作废品率高的问题,从悬臂梁的加工工艺出发,分析了断裂、粘连、黏附等失效形式,从可靠性的角度分析失效原因,通过控制溅射铝时的温度变化有效降低层间的残余应力;通过淀积表面能厌水的覆盖层来防止黏附等相应改进措施来提高微悬臂梁器件制作的可靠性。     

微电铸及其在MEMS中的应用

研究了微电铸在MEMS结构层制造工艺中的可行性并搭建了微电铸实验系统,通过对不同Watts镍电解液的成分实验得到了一组性能较好的成分配比.通过晶种层材料的实验得出Ti-Cu作为晶种层材料的优点.利用微电铸的方法制作出微机械隧道陀螺仪中的悬臂梁、挡板、驱动电极等,得到了一组比较有价值的电铸参数,并对电铸中存在的问题进行了阐述.实验结果表明,采用方波脉冲电铸能够得到晶粒粗细均匀、硬度和应力符合设计要求的悬臂梁等MEMS结构.     

微电铸及其在MEMS中的应用

研究了微电铸在MEMS结构层制造工艺中的可行性并搭建了微电铸实验系统，通过对不同Watts镍电解液的成分实验得到了一组性能较好的成分配比．通过晶种层材料的实验得出Ti—Cu作为晶种层材料的优点．利用微电铸的方法制作出微机械隧道陀螺仪中的悬臂梁、挡板、驱动电极等，得到了一组比较有价值的电铸参数。并对电铸中存在的问题进行了阐述，实验结果表明，采用方波脉冲电铸能够得到晶粒粗细均匀、硬度和应力符合设计要求的悬臂梁等MEMS结构．     

MEMS陀螺仪的一种新颖高精度标定算法研究

为了提高微机电系统(microelectro mechanical systems,MEMS)陀螺仪的测量精度,分析了MEMS陀螺仪的静态误差,建立了MEMS陀螺仪的输出模型和标定原理,提出了一种新颖的加权递推最小二乘标定算法,该算法可对MEMS陀螺仪进行高精度的标定,并对低精度MEMS陀螺仪给出了有效自适应滤波处理方法?通过大量实验数据分析表明,利用提出的标定算法,误差补偿后的MEMS陀螺仪性能得到了显著的提高?     

基于多传感器融合的TBM姿态角测量方法

为了解决倾角仪在硬岩掘进过程中强振动环境下的失效问题,基于倾角仪输出精度高、微型机电系统(MEMS)陀螺仪抗振动强的优点,提出了多传感融合的姿态测量方法.采用Allan方差方法建立MEMS陀螺仪的随机误差模型,并用扩展卡尔曼滤波算法对陀螺仪的零漂进行有效估计和补偿,在倾角仪失效情况下采用修正过的陀螺仪数据计算掘进机的姿态角.仿真和实验表明:该算法能有效实现振动环境下姿态测量的计算,保证多传感器融合系统误差不超过0.06°.     

MEMS微悬臂梁在冲击环境下的可靠性

由于MEMS器件的可靠性成为MEMS产品商业化过程中一个重要问题,而冲击断裂是导致器件失效的一个重要原因。本文主要研究多晶硅微悬臂梁在冲击条件下的可靠性,文中阐述了断裂失效机理,并使用应力-强度模型对可靠度进行建模。通过实验统计在各种加速度冲击下的可靠度,并将实验实测值与理论值进行对比。     

基于改进灰色模型的MEMS陀螺仪零偏温度补偿

微机电系统(micro-electro mechanical system,MEMS)陀螺仪的零点漂移是影响陀螺仪测量精度的主要因素.针对MEMS陀螺仪零点漂移随温度变化的非线性问题,以MEMS惯性传感器为试验对象,采用小波变换对MEMS陀螺静态实验零偏数据进行滤波,结合改进灰色预测模型估计零偏随温度变化趋势,获得基于小波变换和改进灰色预测的温度补偿模型.与常规补偿模型算法比较表明,基于小波变换和改进灰色预测的温度补偿模型均方根误差和平均绝对误差更小,MEMS陀螺仪零点漂移的均方根误差和平均绝对误差分别减少到0.025 0和0.018 0,验证了该补偿模型的可行性,对提高陀螺测量精度具有较好的理论意义和工程应用价值.     

基于小波去噪的MEMS陀螺仪随机误差校准算法

微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)陀螺仪具有体积小、成本低、功耗低等特点,在微姿态测量系统中应用极其广泛。由于在制作工艺、材料等方面会引入额外的随机噪声,且瞬态电压的不稳定也会造成MEMS陀螺仪在上电阶段产生随机波动误差,严重影响微姿态测量系统的启动时间和测量精度。因此,基于多分辨分析特性的小波变换分析技术,提出了一种改进的小波去噪算法,通过对MEMS陀螺仪的数据进行3层小波分解,剔除高频分量和电压不稳定产生的突变信号,并对低频分量进行重构,最终得到校准以后的陀螺仪数据,实现陀螺仪随机误差的快速校准。实验验证结果表明,通过3层小波分解后,随机误差均值小于0.05 °/s,系统启动时间小于0.1 s,具有较好的噪声抑制和迅速启动能力。     

基于微机电系统洛伦兹平台角速度估计

针对洛伦兹惯性稳定平台对高带宽和高精度角速率需求,提出了基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)组合传感器的最优速度估计算法.MEMS组合传感器由陀螺仪和加速度计组成,MEMS陀螺仪由于自身特性在速度估计中提供低频速度信息,而加速度计则提供高频信息.最优估计器通过将低频信号与高频信息融合,采用最优控制与估计算法进行速度解算与估计.实验表明,频率在20 Hz内,运动角度在±60°内,MEMS组合传感器速度拟合周期不超过5％,稳定拟合误差不超过7.5％,可以满足平台稳定偏转控制需求.最优状态估计器能在时域与频域上提供无差、高性能的角速度信号.     

基于局部特征点检测与匹配的微悬臂梁变形受力测量方法

提出了一种基于局部特征点检测与匹配的微悬臂梁变形受力测量方法.通过光学显微镜得到微悬臂梁变形前后的图像和基于放大的微悬臂梁表面的散斑纹理特征，在尺度空间中定位具有局部响应极值的LOG（Laplace of Gaussian)特征点，并在LOG特征点周围提取局部仿射不变封闭区域，其质心可以作为具有亚像素精度的特征点位置.由封闭区域构造仿射不变特征描述算子并进行特征点匹配，根据匹配点的位移信息进行悬臂梁弯曲挠度曲线拟合以描述微悬臂梁的弯曲变形，并采用最小二乘法计算悬臂梁受力大小与受力点.通过对实际的微悬臂梁变形图像实验，验证了所提方法的有效性.     

基于ANSYS的静电微执行器吸合现象分析

本文基于静电场和弹性薄板理论,对MEMS静电结构的吸合现象进行了理论分析并给出公式化结果。然后借助于有限元分析软件ANSYS,对微开关中的静电驱动微悬臂梁进行分析,得到其吸合现象对应参数的标准数值,最后实现理论数值和标准数值的比较,以期对MEMS微执行器设计提供一定的理论支撑。     

基于数字锁相环控制的硅微陀螺仪驱动模态分析与实验

为了有效控制硅微陀螺仪的驱动模态,采用基于数字锁相环的相位控制方案对驱动信号振动频率进行跟踪控制.首先,分析了硅微陀螺仪驱动模态的特点,提出了一种数字锁相环控制驱动信号频率的方法;其次,阐述了基于锁相环的硅微陀螺仪驱动模态闭环控制原理,并分析了锁相环频率控制的稳定性;然后,对锁相环控制的驱动模态频率变化和跟踪情况进行了仿真,验证了驱动频率动态跟踪特性;最后,设计了一种基于锁相环的FPGA数字电路控制方案,并制作成实际电路,同时,对硅微陀螺仪驱动模态的开环谐振频率驱动和闭环频率驱动进行了对比实验.结果表明,当温度在-40～60℃内变化时,该控制方案能够保证驱动频率时刻跟踪驱动模态谐振频率的变化,且跟踪相对误差为2.5×10-5.     

牺牲层腐蚀技术在微悬臂梁器件制作中的应用

以微悬臂梁的制造工艺为例,探讨了MEMS中的牺牲层腐蚀技术,对牺牲层材料的制备方法和腐蚀牺牲层材料得到微悬臂梁结构等工艺中的关键与核心技术作了详细阐述,从腐蚀机理的角度探讨了腐蚀速率及其影响因素。     

一种双桥臂微悬臂梁谐振频率的影响因素研究

为了获得双桥臂硅微悬臂梁的谐振频率随其质量块尺寸的变化规律,首先推导出了双桥臂硅微悬臂梁谐振频率的解析式,并对9组不同尺寸的双桥臂单晶硅微悬梁的谐振频率随附加质量块长度的变化规律进行了分析.结果表明,随着附加质量块长度的增加,悬臂梁的固有频率会逐渐地减小,并且随着质量块长度所占微悬臂梁总长度比例的增大,附加质量所引起的微悬臂梁谐振频率的变化量在总谐振频率中所占的比重呈逐步减小的趋势.     

一种用于MEMS陀螺仪的隔振平台及其结构设计

为隔离外部环境振动对MEMS陀螺仪性能造成的不利影响,文章设计了一种用于MEMS陀螺仪隔振的单层及双层隔振平台,通过理论分析隔振平台结构参数对隔振性能以及集成隔振平台对MEMS陀螺仪性能的影响,确立隔振平台的设计准则;设计了一种用于MEMS陀螺仪的单层及双层隔振结构及其制备工艺流程,通过ANSYS仿真分析隔振平台结构设计的可靠性及合理性。对1个示例MEMS陀螺仪进行分析,结果表明所设计的单层及双层隔振平台结构合理可靠且均可隔离外界环境振动,通过增大第1层隔振平台质量不仅可以提高隔振效果还可有效降低集成隔振平台对MEMS陀螺仪性能的影响。采用设计的隔振平台结构与工艺流程可实现陀螺仪与隔振平台的圆片级封装,并可采用MEMS的加工工艺大批量生产,降低隔振成本。     

基于MEMS陀螺仪的电子稳像算法

针对电子稳像运动估计过程中,特征匹配方法存在匹配误差以及3D运动估计方法计算复杂等问题,提出一种基于MEMS(Micro-electro-mechanical system)陀螺仪的电子稳像算法。首先,利用MEMS陀螺仪估计相机旋转抖动量,利用尺度不变特征变换方法SIFT(Scale-invariant feature transform)估计相机平移抖动量;其次,利用滤波技术对平移及旋转运动矢量平滑滤波处理;然后,对视频序列的高频率旋转及平移抖动量进行运动补偿;最后,利用图像拼接技术去除运动补偿后的图像边缘"黑边"。实验结果表明,该算法对于相邻图像帧的抖动补偿准确性较高,处理效果较好,减少了系统的计算复杂度。     

微机械单晶硅陀螺仪谐振器结构参数设计

微机械单晶硅陀螺仪谐振器的结构参数设计对陀螺仪的机械性能影响很大，它决定了陀螺仪的水平和垂直方向的固有振荡频率，并影响微机械单晶硅陀螺仪谐振器的振荡幅度，因而，也直接影响微机械单晶硅陀螺仪的灵敏度。研究了微机械单晶硅陀螺仪谐振器的结构参数设计与其机械性能的关系，探讨了微机械单晶硅陀螺仪谐振器结构设计的一般原则，微机械单晶硅陀螺仪谐振器的结构参数对其动态性能有显著的影响，文中对此进行了仿真研究。     

MEMS陀螺仪随机误差在线建模与滤波研究

针对普通微电子机械系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)陀螺仪随机误差较大、零偏性影响在线建模的问题,提出对MEMS陀螺仪随机误差在线建模、实时滤波以提高MEMS陀螺仪在工程应用中的精度。首先,对陀螺仪采样数据进行分析处理,使其满足时间序列建模的要求。为避免数据离线零均值处理,实现在线建模,直接将数据中陀螺仪零偏引起的常值分量带入模型,建立具有常数项的时间序列模型,并通过递推最小二乘法得到模型参数的最优估计;然后,利用时域上状态空间方法设计增广状态Kalman滤波器,实时修正MEMS陀螺仪随机误差。研究表明方法有效,MEMS陀螺仪精度进一步提高,研究能为后续惯性测量运算提供可靠的数据支持。     

振动轮式微机械陀螺仪微分方程模型及解的存在惟一性

通过振动轮式微机械陀螺仪的结构示意图,详细介绍了该陀螺仪的工作特点.利用欧拉动力学方程给出了该陀螺仪的数学模型.利用常微分方程组解的存在性定理,讨论了解的存在惟一性,并利用振动轮式微机械陀螺仪的基本工作特点对该微分方程模型进行了简化.     

硅微z轴谐振陀螺仪负电刚度效应 分析及实验验证

介绍了在开环工作状态下硅微z轴谐振陀螺仪由于加工工艺缺陷所导致的误差机理。为减小陀螺仪初始电容差和抑制正交耦合误差,提 出了一种闭环控制检测策略。重点分析 了其力矩反馈器的电刚度效应并给出其线性数学模型表示式。通过对硅微z轴陀螺仪敏 感模 态的反馈力与谐振频率的关系分析,间接得出了在敏感方向上电负刚度与力矩器所施电压的 内在联系,并在实验上进一步验证电刚度效应。这将为下一步闭环控制方案的设计奠定重要 基础。