高过载MEMS环形陀螺制造与测试

提出了一种新型的抗高过载环形振动式陀螺,分析了其工作原理和振动特性。在ANSYS有限元分析软件中建立了该环形陀螺结构的模型,进行了振动特性分析,仿真分析结果显示该环形陀螺工作模态与干扰模态最小频差Δf_2=248 Hz,驱动和敏感模态频率Δf_1=5 Hz。并且根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应,谐振结构最大位移为14.142μm,结构所受的最大的应力为68.396 MPa,可以正常稳定工作。通过基于SOG(Silicon on Glass)的微加工工艺制造了陀螺样机并完成了初步的测试,模态测试与有限元仿真结果中的模态频率最大误差是4.9%。实验室过载测试结果显示陀螺在15 800 g过载下,陀螺工作频率和频差未发生大的变化。     

抗过载环形 MEMS 固体波动陀螺设计加工与测试

本文针对传统MEMS振动陀螺在经历高过载过程无法存活且冲击前后参数变化大的问题,开展了抗高过载MEMS固体波动环形微机械陀螺设计、加工和测试方面的研究工作。首先,提出了全对称梁的陀螺结构形式,该结构能够有效的减小冲击过程在结构中造成的应力残留,配合止挡机构以及灌封技术能够提升陀螺在冲击过程中的存活能力,并在此基础上推导了陀螺的动力学方程和敏感轴冲击振荡运动函数,指出了敏感轴冲击模态的固有频率越高、品质因数越小则越有利于提高陀螺在敏感轴上的抗冲击特性。其次,利用有限元分析软件对陀螺结构进行了模态分析和冲击特性仿真,结果显示在15 000 g@10 ms的冲击作用下,陀螺的最大位移和应力分别为9.46μm和99.6 MPa,保证了陀螺结构具有较好的抗冲击裕度。再次,利用较为成熟的玻璃-硅键合和深硅刻蚀工艺实现了陀螺结构的加工,结合陶瓷封装实现了陀螺结构的真空封装,并基于驱动闭环和检测开环回路搭建了陀螺的测试系统。最后,在实验室环境下利用冲击台实现了对陀螺样机的冲击测试,冲击过程(脉宽0.6 ms)出现了多个5 000 g以上的峰值,最大峰值为16 050 g,陀螺响应时间约为1 s,冲击前...     

一种栅型结构微机械陀螺的研究

介绍了一种新型结构微机械陀螺的设计及制作。新型陀螺的驱动振动和敏感检测振动的阻尼均为滑膜阻尼，且几乎相同，惯性质量块为栅型结构，由弹性悬臂梁支撑，驱动固定电极和敏感检测固定电极位于惯性质量块下方。分析了新型陀螺的工作特性，说明了陀螺结构参数对陀螺灵敏度的影响，实验结果表明，大气状态下，新型栅结构微机械陀螺的驱动和敏感检测品质因子Q均可达到66。     

音叉式全解耦微机电陀螺的设计与仿真

文中对严重影响微机电陀螺(简称微陀螺)灵敏度的机械耦合误差进行深层研究和分析,提出并设计了一种基于体硅制造的新型全解耦音叉式微陀螺仪。为实现新型微陀螺的驱动和检测模态完全解耦,在一定的带宽下保持较高的检测灵敏度,采用了新型敏感检测梁和对称的音叉式结构。根据微陀螺仪的实体模型建立了其动力学模型,应用两种空气阻尼模型对检测阻尼特性进行了研究和计算。通过多种固有模态的匹配仿真试验和谐响应分析,确定了新型微陀螺的检测方式和弹性梁结构参数。仿真结果显示,该新型陀螺实现了驱动和检测方向的完全独立,显著减小了机械耦合误差。     

压电电极对圆杯形陀螺振子振动特性影响分析

压电电极作为圆杯形谐振陀螺的驱动及检测换能器,直接影响振子的振动特性及陀螺性能.针对合金振子的振动特性,建立了压电电极的机电耦合模型,通过有限元方法重点分析了不同结构尺寸的压电电极对谐振子谐振频率、频率裂解、输出增益及等效应力的影响,得到了优化结构参数(8 mm ×2 mm×0.3 mm),并进行了试验验证.结果表明:电极结构变化对谐振子的谐振频率和频率裂解的影响都很小,分别在10 Hz和2 Hz以内,而对输出增益和应力的影响随长、宽、厚有规律变化.研究工作为陀螺电极设计、陀螺性能提高提供了依据.     

MEMS环形陀螺模态间刚度耦合频率调谐

MEMS陀螺结构的驱动和检测模态谐振频率差(Δf)是决定其机械灵敏度的主要因素,当Δf≈0时,陀螺处于频率调谐状态,此时陀螺的机械灵敏度达到最大值。本文针对一种电容式全对称S形弹性梁硅基环形波动陀螺,对其使用调频电压进行频率调谐过程中发现,模态间存在一定的刚度耦合。本文分析其模态间刚度耦合产生的原因是结构误差(环形谐振子的结构误差主要体现在两个振动参数,一个是频率,另一个是阻尼),由于调频电压改变的主要参数是刚度系数,所以本文仅对频率误差进行建模分析。首先,介绍了环形陀螺结构,同时以此结构为基础分析了静电负刚度原理。其次,分析了其频率误差产生的原因,并建模推导出调频电压对两个工作模态产生的影响。最后,结合理论模型和实验结果比对,验证理论推导的正确性,并通过实验验证频率调谐状态下对环形陀螺的灵敏度提升了2.7倍。     

一种高性能电磁式微机械振动环陀螺

模态匹配和高的品质因数是提高振动环陀螺性能的关键。设计制作了一种电磁式微机械振动环陀螺,采用了全对称的结构以实现模态匹配。通过理论推导建立了陀螺灵敏度和机械噪声的数学模型,分析了陀螺参数对灵敏度及分辨力的影响。采用（100）晶向的单晶硅及MEMS体硅标准工艺加工了陀螺样片,该工艺简单,无需键合。器件频响实验结果表明,所设计的振动环陀螺驱动模态和检测模态频差小于0.5Hz,大气压下品质因数约为500,在1Pa的低真空下达到14000。锁相放大器测试结果表明,在-200 ~200 o/s测量范围内,陀螺分辨力为0.05o/s,灵敏度为0.2uv/ o/s。测试结果表明该陀螺能够实现模态匹配和较高的品质因数,具有较高的性能指标。     

全对称振动陀螺的结构设计与参数优化分析

针对振动陀螺的高性能和微型化发展趋势,研制了一种新型的全对称振动陀螺。依据振动陀螺工作原理,并采用压电驱动和压电检测的工作方式,建立了全对称振动陀螺整体的结构模型,通过有限元方法,进行了模态分析,找到了压电片、横梁结构参数及中心质量柱对陀螺模态频率的影响规律,得到了优化的结构参数(横梁:9 mm×2 mm×0.5 mm;中心质量柱4 mm×4mm×10 mm),并完成了样机制作和试验验证。结果表明:振动陀螺的模态频率随着横梁的长、宽、厚和中心质量柱的高均有规律变化,当材料一定时,可以通过改变陀螺的结构参数达到模态匹配的效果。该陀螺的工作原理和结构设计是合理可行的,具有较好的应用前景。研究工作对其他固态振动陀螺的结构设计和参数优化提供了参考。     

梳齿式二维微纳传感器的物理设计

在MEMS技术的基础上,设计了一种梳齿式二维微纳传感器的芯片结构。通过应用硅基力敏感结构,实现了将微弱不可测力学信号转换为可测电信号;建立有限元模型,分析计算了微力传感器的结构和电学特性,得到了力学信号与电学信号的对应关系;对模型进行了模态分析和谐响应分析,验证了结构的固有频率和谐响应频率远离系统的工作驱动频率,保证了芯片的工作稳定性和测量精度。仿真分析结果表明,微力传感器芯片的力和力矩的分辨率分别达到2.85μN和0.0382μN·m,信号转换线性度分别达到0.999 6、0.999 9。模态固有频率(第一阶、第二阶)和谐响应频率分别为783.28 Hz、1 294.3 Hz和770 Hz,均满足性能指标要求。     

基于多通道锁相放大器的硅微半球谐振陀螺性能测试方法

针对硅微半球谐振陀螺的性能评测问题,研究了一种利用多通道锁相放大器(HF2LI)的快捷、有效测试方法。该方法首先利用多通道锁相放大器对硅微半球陀螺进行扫频,得到硅微半球陀螺的谐振频率和两模态的频差。再记录硅微半球陀螺谐振信号的衰减过程,通过MATLAB指数拟合,从而求得硅微半球陀螺的品质因数。再对调谐电极和模态电极同时施加直流偏压可实现两模态匹配,进而利用该锁相放大器的解调、PLL、PID等模块构建驱动闭环和敏感开环检测系统,测得硅微半球陀螺的标度因数和零偏不稳定性等参数。测试结果表明,该方法具有简单、快捷和有效等特点,可广泛应用于MEMS谐振器件的性能参数测试。     

静电悬浮微陀螺系统模型的研究

静电悬浮微陀螺需要一套支承系统将高速旋转的环形转子稳定地悬浮在电极环腔中心.在推导被控对象静电力模型的基础上,构建了静电悬浮系统的5轴闭环控制模型,利用该模型分析了悬浮微陀螺的加速度/角速率测量原理,设计了基于数字控制的支承线路.依据敏感表头的结构参数确定了支承线路的电参数,结合悬浮系统性能指标,通过反复仿真来设计控制器参数,分析了悬浮系统的闭环动态特性、刚度特性和抗过载能力.对数字控制器的扫频结果表明:考虑采样频率引起的相位滞后,在剪切频率附近相位误差小超过15°.     

微机械振动环陀螺

为了减小振动环驱动模态和检测模态的频率差从而提高陀螺性能,提出了一种采用电磁驱动、电磁检测的全对称振动环陀螺结构。采用MEMS体硅工艺完成该微机械振动环陀螺的加工,其结构在保持镜像对称的同时,还保持了中心对称,因此整个结构高度对称,有利于减小模态频率差。为有效跟踪陀螺驱动模态的谐振频率并稳定驱动模态的幅值,设计了闭环驱动控制电路。该电路由低噪声前置放大器、相位调整环节以及自动增益放大器(VGA)组成。测试结果表明,该陀螺两个模态频率差为0.27 Hz,实现了频率较好的匹配。在±200 °/s,测得陀螺灵敏度为8.9 mV/(°/s),分辨力为0.05 °/s,非线性度为0.23%。     

基于随机平均法的MEMS陀螺自适应控制设计

利用随机平均法对MEMS(微机电系统)陀螺驱动和敏感模态进行了分析,研究了MEMS陀螺的自适应控制设计,使陀螺工作在调谐驱动和力平衡闭环检测状态.该设计能够实现陀螺的恒定幅度和固定频率谐振驱动、驱动和敏感模态匹配,抵偿由刚度耦合引起的正交误差信号,使敏感模态振动在零位平衡位置,提高陀螺动态范围和灵敏度.结合实际陀螺参数,利用MATLAB软件对陀螺自适应设计方案进行了仿真,并设计了驱动模态的调试电路,仿真和调试结果验证了理论分析的可行性.     

农机扶手有限元正交优化方法及应用

针对复杂参数结构优化过程中模态分析方案过多问题,结合模态分析和正交试验法的特点,提出有限元正交优化分析方法,通过对结构有限元模态分析方案的正交试验规划,大幅度减少分析样本数量;同时试验数据的分析结果可确定各试验因素的较好水平及各因素对振动性能的影响,通过改变敏感参数来快速实现机械结构振动特性的改变。最后以小型农机扶手为例,将扶手的一阶振动频率由41.7 Hz变为71.379 Hz,避开了人手的敏感频率范围,优化及试验结果证明了该方法的有效性及可行性。     

高Q值微机电陀螺的快速起振控制

针对高Q值微机电陀螺的快速起振问题,研究其驱动轴控制方法。分析了高Q值谐振器的振动相位随频率的变化率,阐明了锁相环方案启动时间长且对初始频率偏差敏感的原因。用平均法推导了自激振荡方案下起振初始阶段振幅随时间的变化规律。提出了"自激-锁相"驱动轴控制方案,先采用自激振荡方式使陀螺快速起振,再转为锁相环方式使振动频率精确稳定。经实验测试,采用锁相环方案,当初始频率偏差在±10 Hz以内,陀螺的启动时间为2s;采用自激-锁相方案,只要初始频率偏差在±1 000Hz以内,陀螺均可在0.3s内达到频率误差小于0.01%,在0.4s内达到振幅误差小于0.1%。"自激-锁相"方案大幅度缩短了陀螺的启动时间,而且对陀螺初始频率的设置偏差不敏感,对环境温度变化的适应性好,适用于微机电陀螺的批量生产。     

微机电陀螺耦合刚度的辨识

针对微机电陀螺耦合刚度的辨识,提出了以驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合频率响应特性为基础的耦合刚度辨识方法。设计了一种驱动轴和检测轴双向位移解耦的双质量线振动微机电陀螺,基于经过简化的梁的刚度特性建立了微陀螺平面运动动力学方程,导出了结构在存在耦合刚度情况下驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合的传递函数。根据耦合传递函数把刚度耦合产生的根源定位到特定的几组梁之间的刚度误差。通过驱动-转动耦合与驱动轴幅频特性之比辨识出驱动-转动耦合刚度系数,通过驱动-检测耦合与检测轴幅频特性之比辨识出转动-检测耦合刚度系数。实验测试了设计加工的微陀螺的频率响应特性,利用提出的耦合刚度辨识方法得到陀螺的驱动-转动和转动-检测耦合刚度系数分别为0.14N和0.054 33N。得到的耦合刚度的辨识结果可为微陀螺梁刚度的激光修调提供参数依据。     

基于偶极子补偿法的硅微机械陀螺仪带宽拓展

硅微机械陀螺仪的机械灵敏度与驱动和检测模态的谐振频率差Δf成反比,而Δf处的谐振峰是影响陀螺带宽的直接因素,带宽约0.54Δf,因此,带宽和机械灵敏度往往成为两个互为矛盾的指标。基于自动控制原理中介绍的偶极子理论提出了偶极子补偿控制技术,该方法在不影响机械灵敏度的前提下可有效拓展陀螺带宽。首先,对涉及到的双质量硅微机械陀螺仪的结构形式和工作原理进行了介绍,指出陀螺实际工作的检测模态是由检测同相和反相模态叠加而成,设计了陀螺开环检测回路,分析了带宽是由驱动反相和检测反相模态的谐振频率差决定,并结合检测力反馈激励法验证了上述结论;其次,根据偶极子工作原理设计了偶极子补偿控制器的系统传递函数和电路,并对相关内容进行了仿真,验证了电路参数的准确性;最后,基于偶极子补偿控制器建立了硅微机械陀螺仪闭环检测系统,分析了该系统的稳定性,并对该系统的带宽特性进行了仿真和测试,结果显示带宽由原来的13 Hz拓展到了76 Hz,很好地证明了本文提出方法的可行性。此外,鉴于双质量陀螺的实际检测模态,在消除了第一个Δf谐振峰对带宽的影响后,由检测同、反相模态叠加产生的共轭零点引起的幅值谷为带宽进一步提高的限制因素。     

四模态匹配三轴硅微陀螺仪

为了实现单片集成六自由度微惯性测量单元,提出了一种改进的由4个大质量块和4个小质量块组合而成的四方全对称结构的三轴陀螺仪.介绍了该惯性测量元件的结构及工作原理,根据结构参数计算出了详细的性能指标,并进行了面内驱动模态和面内外的敏感模态仿真.为提高各敏感模态的机械灵敏度,提出采用双重静电频率调谐方案,即先对公共质量块施加调谐电压,使驱动模态和航向模态的频差最小;再对小质量块上方的多晶硅电极施加另外的调谐电压,最终使四模态频率偏差小于30 Hz,从而说明该频率调谐方法是有效的.然后,通过分析热弹性阻尼能量耗散机理,对驱动及敏感谐振模态的品质因数进行仿真.结果表明:真空环境不考虑空气阻尼情况下,两种模态的品质因数分别为23 816和19 507.最后,基于表面加工和体加工工艺,设计了高深宽比的加工流程.对该四方对称解耦结构的设计和仿真表明其模态匹配和品质因数性能满足三轴陀螺的设计要求.     

扇形梳齿驱动式体硅微机械 隧道陀螺仪的设计与制备

介绍了一种利用隧道效应所具有的高位移敏感特性来获得较高灵敏度的微机械隧道振动陀螺仪的设计和工艺制备,该陀螺仪分别采用扇形梳齿驱动和面外振动悬臂梁的方式实现质量块的振动和恒隧道电流的检测。介绍了扇形梳齿驱动的工作原理和隧道陀螺仪的设计。由于采用了硅玻键合和深反应离子蚀刻(DRIE)的DDSOG体硅制备工艺,因而可获得较大的敏感质量块,从而使陀螺仪具有较高的灵敏度和较大的动态响应范围。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,该陀螺仪在常压下的灵敏度为0.007 nm(°)/s。     

双质量振动式硅微陀螺理论和实验模态分析

考虑硅微陀螺的设计和结构优化,研究了陀螺固有频率及模态对其性能的影响。针对本课题组研制的双质量振动式硅微陀螺,利用能量法建立了固有频率的理论公式,对硅微陀螺的低阶模态进行了理论分析,并利用有限元仿真和实验对理论分析结果进行了验证。结果显示:理论分析结果与仿真结果的最大误差为8.6%,与实验结果的最大误差为10.6%。利用Allan方差分析法对陀螺进行了静态性能实验,结果显示其角度随机游走为0.0578(°)/hr12,零偏不稳定性为0.459(°)/hr。与传统的单纯依靠有限元仿真的模态定阶相比,本文建立的理论模型可以省略繁琐的结构参数调整过程,更高效地完成陀螺模态定阶,而且可用于陀螺的结构优化过程。