扇形梳齿驱动式微机械隧道陀螺仪的初步研究

设计了一种扇形梳齿驱动式隧道陀螺仪,意在取代现有的平板驱动方式,以此来提高陀螺仪的灵敏度.从扇形梳齿驱动的工作原理出发,推导了该型陀螺仪的运动方程,分析了结构参数与其灵敏度的内在联系.在此基础上,对陀螺仪设计中与陀螺仪性能相关的机械耦合、静电驱动频率和敏感方向刚度等问题进行了有益的探讨,揭示了静电驱动频率的选择与敏感方向品质因子和驱动方向品质因子大小之间的内在联系,为陀螺仪的尺寸优化设计奠定了理论基础.     

结构解耦的双质量微陀螺仪结构方案设计与仿真

为了解决双线振动双质量微机械陀螺驱动和检测模态耦合的问题,提出了一种新的双质量双线振动式微机械陀螺仪结构方案,并对驱动和检测梳齿的电容布置以及梁的结构形式进行了设计.根据微陀螺的结构和工作原理,对该陀螺的驱动和检测模态进行了理论分析,给出了简化的动力学方程,并利用ANSYS有限元分析软件进行了数值仿真,以验证设计思想的正确性.仿真结果表明,双质量块和折叠梁的设计使该微陀螺能够实现驱动和检测模态的完全解耦.在仿真验证的基础上,通过调节结构参数实现了陀螺驱动模态与敏感模态固有频率的匹配及其与干扰模态的隔离.2个质量块的差动输出能够有效减小共模信号的干扰,变面积式的梳齿电容布置方式能使微陀螺在空气下的模态品质因数显著提高.该结构设计方案能使微陀螺的整体性能得到提高,达到了理想的设计目的.     

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.     

基于遗传算法的多自由度振动陀螺仪优化设计

针对微陀螺仪灵敏度与带宽的制约问题,通过一种新型的生物进化遗传算法,提出了一种基于灵敏度和带宽最优化的优化设计方法.编写了多目标遗传算法的相关程序,该方法基于特征提取确定约束条件,以微陀螺振动系统振子质量比、结构频率比以及弹性梁刚度系数比为设计变量,灵敏度与带宽为设计目标,采用多目标遗传算法对模型进行优化.以双检测单驱动三自由度微机械陀螺仪为研究对象进行分析与优化,获得的灵敏度和带宽与二次序列规划算法(SQP)相比分别提升了18 dB和2 175 Hz.结果表明,采用该方法对微陀螺仪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,达到提升多自由度微陀螺性能的目的,为微机械振动陀螺仪的优化设计提供了新的有效方法.     

微机械隧道陀螺仪中微弱信号的检测技术

针对微机械隧道陀螺仪输出信号的特点,设计出陀螺仪隧道电流的检测及校准电路.同时从理论上对电路进行误差分析,并对电路的实际安装技术进行了讨论.最后通过实际电路验证了该设计的可行性.     

硅微型机械振动陀螺仪的计算机辅助设计

建立了硅微型机械振动陀螺仪的优化模型,确定其结构参数的目标函数和约束条件,采用优化方法对结构参数进行优化计算.以AutoCAD为支撑软件,采用ActiveX Automation技术对AutoCAD进行二次开发,建立了硅微型机械振动陀螺仪的计算机辅助设计系统(GYROCAD).该系统可以根据陀螺仪的性能指标等确定陀螺仪的最优结构参数,设计实例表明,由该系统设计的硅微型机械振动陀螺仪的灵敏度得到了明显的提高.     

采用DDSOG工艺加工Z轴微机械陀螺仪实验

从理论上分析了Z轴微机械陀螺仪结构的工作机理,比较了体硅薄片融解工艺和DDSOG工艺的优缺点.介绍了采用DDSOG工艺加工的Z轴微机械振动陀螺的特点,并与采用体硅薄片融解工艺加工的相同Z轴微机械振动陀螺进行了残余应力、品质因数及灵敏度等性能参数的比较,采用DDSOG工艺后陀螺的驱动品质因数是原来体硅薄片融解工艺的1.45倍,而检测品质因数是原来的0.11倍.最后,比较了采用2种不同工艺加工后Z轴微机械陀螺的实验结果,结果表明采用DDSOG工艺加工后陀螺的灵敏度比原来采用体硅薄片融解工艺加工的陀螺的灵敏度提高了近10倍.     

硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的模型分析

通过硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的结构示意图,介绍了该陀螺仪的工作特点.利用牵连运动的加速度合成定理和牛顿力学定律,通过力学分析和数学演算得到了该陀螺仪的活动质量的加速度表达式,并给出了该陀螺仪的数学模型.在陀螺仪做各坐标轴方向的转动和作一般转动的情况下,对数学模型进行了求解,最后利用方程的解分析了陀螺仪是如何工作的、各种情况下该陀螺仪工作的差别、各坐标轴方向的转动对陀螺仪工作的不同影响.     

基于傅里叶解调算法的硅微陀螺仪控制系统设计与试验

为了改善硅微陀螺仪控制精度,采用基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的傅里叶解调算法,结合同步倍频采样技术,分别对硅微陀螺仪驱动轴检测信号和敏感轴检测信号进行解调.并借助自动增益控制(AGC)和锁相环(PLL)技术,实现硅微陀螺仪的闭环驱动控制和高精度解调输出.仿真和试验结果表明:相比于乘法解调,傅里叶解调算法具有更好的解调精度和更强的抗噪声能力;驱动振幅控制精度达到7.5×10-6,全温频率跟踪最大误差为50 mHz;试验陀螺的零偏稳定性由采用乘法解调算法的24.83(°)/h提高到采用傅里叶解调算法的10.65(°)/h.试验验证了傅里叶解调算法在硅微陀螺仪数字控制系统中的可行性和有效性.     

音叉式硅微机械振动陀螺仪的粘滞阻尼研究

粘滞阻尼的研究对硅微机械振动陀螺仪的设计至关重要。而品质因数的大小反映了阻尼特性。本文首先理论分析了硅微型机构振动陀螺仪粘滞阻尼的耗能,然后根据耗能分析给出了驱动结构和敏感结构的品质因数。     

一种新型的微机械电子隧穿加速度计

介绍了一种新型的微机械电子隧穿加速度计,利用体硅微机械加工工艺和硅／玻璃静电键合技术成功研制出了一种三明治结构的隧穿加速度计。为了有效减小低频噪声,在反馈回路里加入了振荡器和解调器。测试结果表明,目前样品的分辨率约为10^-6g/-√Hz,抗冲击能力达到50g。     

微机械陀螺测试技术的研究

文章介绍了微机械陀螺的基本原理以及几种不同检测方式的硅微陀螺,包括电容式、压电式、压阻式、隧道式等,分析了这些微陀螺的基本检测原理,总结出它们在检测性能方面存在的一些问题.为了提高微机械陀螺的灵敏度提出用新的微机理介观压阻效应,并对基于介观压阻效应的微陀螺前景进行了论述.     

微观形貌扫描隧道显微镜检测的性能分析

对自行研制的双功能扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）的性能特点进行了研究，探讨了影响其纵、横向分辨率的有关因素；对其用于超精微观表面形貌的检测精度进行了分析，提出了其灵敏度、分辨率及视场连续可调的原理；并通过实验检测了原子级分辨率和纳米级分辨率的微观表面形貌，探讨了用ＳＴＭ在不同分辨率条件下对于微观形貌进行检测的可行性．     

基于转移矩阵法确定高k介质中泄漏电流共振隧穿机制的存在性

栅隧穿电流已成为制约MOS器件继续缩小的因素之一.为了掌握和控制高k栅栈的栅电流,必须全面了解其中存在的各种隧穿机制.考虑高k介质和二氧化硅间的界面陷阱,建立了高栅栈MOSFET中沟道与栅极交换载流子的双势垒隧穿物理模型.采用量子力学的转移矩阵方法,计算沟道电子通过高栅栈结构的透射系数,模拟得到的透射系数曲线随电子能量变化呈现峰谷振荡的特征.将本文模拟结果与非平衡格林函数及WKB近似方法模拟结果对比,通过论证得出电子能量低于高导带底的透射系数峰为共振隧穿机制所产生,而能量高于高k介质导带底的电子透射系数峰为直接隧穿的结论.     

利用扫描隧道显微镜构造硅表面nm尺度图形的研究

在大气中,利用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）在氢钝化的Ｓｉ（１１０）表面直接进行化学改性,形成了２０～６０ｎｍ的ＳｉＯ线条．通过化学腐蚀,成功地将该ｎｍ线条转移到Ｓｉ基片上．实验证明,经ＳＴＭ改性的ＳｉＯ可以作为腐蚀掩膜,利用此氧化膜可以在Ｓｉ表面构造ｎｍ尺度图形结构,从而为研究构造具有量子效应的微器件工艺奠定了基础．     

盾构隧道施工引起的地层位移对既有桥梁桩基的影响分析

盾构法已成为我国城市地铁施工中一种重要的施工方法,由施工引起的地面沉降对其周围环境的影响是盾构隧道设计和施工中非常重要的问题。本文根据某地铁盾构隧道穿越桥桩工程,应用三维有限差分软件FLAC-3D进行了数值模拟,并对计算结果和实测结果进行了对比和分析,研究了隧道开挖中产生的位移对既有桥桩的影响,得出桩基变形的规律,并提出相应的工程建议。