新型微机械隧道陀螺仪的设计和工艺制备

介绍了一种新型微机械隧道振动陀螺仪的设计和工艺制备,该陀螺仪采用平行梳齿驱动和面外振动框架的方式分别作为质量块的振动和恒隧道电流的检测,对平行梳齿驱动的工作原理和隧道陀螺仪的设计进行了详细的阐述.由于采用了硅玻键合和DRIE的DDSOG体硅制备工艺,因而可以获得较大的敏感质量块,从而使得该陀螺仪具有较高的灵敏度.根据检测模态和驱动模态匹配的原则,利用有限元模型对隧道陀螺仪的结构尺寸进行了优化.仿真结果表明,该陀螺仪在常压下具有0.07 nm(°/s)的灵敏度.     

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.     

静电梳齿驱动器静电-结构耦合的仿真分析

采用降阶建模为静电梳齿驱动执行器开发了一个二维有限元模型,将梳齿驱动器简化为一组等价的集总参数单元,各单元均体现了对应器件的静动态特性和输入输出特性,降阶得到的模型降低了计算的复杂程度,提高了计算的速度.对采用降阶模型法所建立的模型仿真,得出梳齿驱动执行器的驱动位移、静电力与结构参数和所施加电压关系的仿真结果.该方法能以较快的速度求解静电-结构耦合问题,所得结果与有限元解相比较,最大位移误差小于5%.     

全对称谐振式压力传感器结构设计与仿真分析

提出了一种基于侧向驱动的全对称谐振式压力传感器结构.谐振结构采用侧向梳齿电容驱动,既保证了驱动力的线性特性,又由于本身的空气阻尼为滑膜阻尼,可以取得较高的品质因子.另外,设计的差分电容结构能进一步提高器件的检测灵敏度.经过ANSYS 10.0的仿真分析总结出谐振结构固有频率受结构参数影响的规律,确定了量程为0～550 kPa的谐振式压力传感器具体尺寸,其灵敏度达到了22.602 Hz/kPa;分析了温度对谐振结构固有频率的影响,得到-20～60℃下的热灵敏度温度系数为-1.8233 Hz/℃,为后续的温度补偿提供依据;最后通过分析谐振结构的频域响应特性,最终确定了传感器的频域特性曲线以及不同阻尼比下传感器的品质因子.为谐振式压力传感器真空封装的真空度选择提供参考.     

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。     

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.     

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。     

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.     

交错梳齿型静电驱动MEMS微镜的设计与制作

设计了一种交错梳齿型(SVC)静电驱动MEMS微镜,首先在底层硅片上通过刻蚀预留出微镜活动空间,并进行固定梳齿组刻蚀,然后再在上面键合顶层硅片,并将顶层硅片减薄抛光至目标厚度,再在其上进行移动梳齿组和镜面结构的刻蚀.该工艺既兼顾了SVC型微镜偏转角度较大的优点,又避免了使用SOI衬底导致背面套刻精度差的缺点,提高了整个...     

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.     

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.     

微机械谐振陀螺的有限元分析

依据微机械谐振陀螺的结构和工作原理,利用ANSYS有限元仿真软件对微机械谐振陀螺的设计进行了计算和仿真.首先计算了陀螺的驱动模态固有频率和检测模态的固有频率,分析了在检测方向的输出位移、哥氏力与输入驱动信号频率之间的关系,在这基础上,得出当驱动模态的固有频率与检测模态的固有频率比较接近时,输出哥氏力灵敏度较大.同时还分析了内框架梁与外框架梁对陀螺驱动模态与检测模态固有频率的影响,并以此为基础,提出了调节陀螺驱动模态固有频率与检测模态固有频率的方法.     

基于子结构法的微机械陀螺性能解析

在微机械陀螺性能健壮性设计的研究中,为了解决微陀螺性能解析的高精度和计算时间的问题,以体微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺结构为研究对象,提出了基于子结构法的微结构动态性能解析法.在实现了微陀螺的高精度解析和分析的基础上,进行了微陀螺弹性梁优化设计,得到了性能优良的微陀螺弹性梁结构.通过实例解析,不仅验证了基于子结构法的微结构动态性能解析法的有效性,而且证明了其在微机械陀螺性能设计中的潜在价值.     

载体驱动硅微机械陀螺的电学模型研究

本文针对载体驱动硅微机械陀螺的动力学特性，建立了基于微机械陀螺机械振动特性和电学特性的等效电路模型，利用电学模拟工具Pspice对模型进行了验证。模拟分析与实验结果表明，采用机电模拟方法建立的微机械陀螺电学模型可替代动力学模型，用于接口电路的设计与仿真， 利用该模型设计的电路能满足载体驱动硅微机械陀螺性能指标的要求。     

Si Micromachined Gyroscope Driven by the Rotating Carrier

This paper reports a silicon micromachined gyroscope driven by the rotating carrier’s angular velocity．The silicon was manufactured by anisotropic etching．The structure and dynamic formulation are introduced here,with the silicon processing and packing of the sensing element studied．The angular velocity of the rotating carrier is measured by an emulator．The results show that the gyroscope is capable of sense yawing or pitching,and the angular velocity of the rotating carrier itself．     

双H型石英音叉陀螺驱动信号频率跟踪算法的研究

为提高双H型石英音叉陀螺驱动信号的稳定性,基于DSP设计了一种数字化闭环控制电路,依据双H型石英音叉陀螺在串联谐振频率点处工作时驱动叉指振动的幅度随频率变化的影响最小,通过相位控制实现了驱动信号频率的跟踪,并利用希尔伯特变换产生了一对正交的参考信号用作相位检测.实验结果表明,双H型石英音叉陀螺工作稳定后,驱动信号频率跟踪算法的相位标准差为4mrad,精度达到0.003 4Hz.     

微机械振动陀螺隔离耦合的结构设计

微机械振动陀螺是新型的惯性元件,其误差源主要有微机械结构的Brownian噪声、电路噪声、机械耦合误差,以及电子机械耦合误差等,这些误差严重影响着陀螺仪的精度,由于制造误差等引起的机械耦合误差,可以通过改善陀螺仪的结构来减小耦合误差,文中从结构设计方面,提出单级隔离耦合和双级隔离耦合的结构方案,有效减小机械耦合误差,提高了精度。     

微机械陀螺仪的性能分析

研究了微机械振动轮式陀螺仪的工作原理和实现方法,提出了保证测量精度,提高动态测量带宽的闭环控制系统。从动力学模型出发,推导此类陀螺的检测输入角速度灵敏度,开环、闭环传递函数,交流反馈控制提取同相分量和抑制正交分量的原理,以及闭环控制改善动态测量频带的方法。分析指出,对于中等精度的微机械陀螺,采用静电力再平衡回路控制是必要且可行的。     

弹性支承条件下传动丝杠的横向振动分析

考虑轴承的支承刚度以及工作台与丝杠之间的接触刚度,将丝杠处理为两端和中间均受弹性支承的旋转的Timoshenko梁系统。考虑了剪切变形、转动惯量、陀螺效应以及预拉伸力对丝杠横向振动的影响,利用边界条件和连续条件建立了丝杠横向振动的频率方程,求解了振型函数,分析了传动系统工作过程中丝杠横向振动频率的变化,以及支承刚度、旋...