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。     

栅结构微机械陀螺运动特性的研究

对一种新型微机振动陀螺原型的运动特性进行了理论分析。采用差分电容信号调制解调方法测量了微机械陀螺驱动和检测模态的幅频特性。理论计算和实验结果表明,在大气状态下,该微机械陀螺驱动模态和检测模态的品质因子具有相近数值,在100左右。测量了驱动模态民激励驱动下,微机械陀螺检测模态的幅频特性,实验结果表明,在无角速度输入的情况下,微机械陀螺在驱动模态和检测模态的谐振模态的谐振频率处发生谐振。     

振弦式陀螺频率检测结构设计与振动分析

针对微陀螺高精度和微型化的发展趋势,依据振弦式陀螺的工作原理建立了振弦式陀螺频率检测数学模型;应用ANSYS软件分析了陀螺检测结构参数影响,优化了振弦式陀螺整体结构并建立了振动响应仿真分析。结果表明振弦式陀螺驱动结构振动响应随着驱动力的增大,驱动响应位移量也随之增大,且驱动力与位移量之间具有很好的线性关系,可以很好地控制振弦式陀螺框架驱动力,优化振弦式陀螺结构尺寸,从而验证了振弦式陀螺电磁驱动与频率检测方案模型的可行性。     

电容式环形微机电振动陀螺的设计

针对环形振动陀螺结构对称、模态特性参数相同与抗干扰特性好的特点,提出了一种新型的电容式环形微机电振动陀螺。设计了S形弹性支撑梁形式的硅基环形振动陀螺敏感结构,并仿真分析了陀螺的工作模态与幅频响应特性。根据环形振动陀螺的动力学特性,研究了陀螺的机电接口形式与硅基电极的设置方法,建立了硅基电极的电学参数模型与陀螺的角速度敏感模型。基于深离子刻蚀技术设计了简单可行的传感器制备流程,并成功制备了陀螺的敏感结构。实验测试结果显示,该环形微机电振动陀螺驱动与检测模态的谐振频率分别为9 028.86Hz与9 036.15Hz,品质因数分别为25 051与25 026,标度因数为0.589 7mV/((°)·s~(-1))。实验结果验证了陀螺设计与研究方法的正确性,为高性能硅基微机电陀螺的研制提供了一种可行的方案。     

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。     

解耦z轴微机械陀螺的研制

提出了一种检测模态解耦的z轴微机械陀螺,其检测模态被约束为1自由度振动,可抑制驱动模态的影响,降低不期望的检测模态偏置,并使用双质量结构在降低模态耦合的同时获得了较好的模态频率匹配.为满足驱动和检测模态自由度约束要求,使用了U形支撑梁.采用反应离子深刻蚀工艺制作了高深宽比结构层,获得了较大的验证质量,抑制了器件的机械热...     

振子框架式微机械陀螺设计优化

采用多端口组件网络方法对振子框架式微机械陀螺(CGMG)进行设计,分析了主要结构尺寸对其固有频率的影响。根据陀螺驱动模态频率和检测模态的频率匹配,优化了陀螺的结构尺寸。结果表明,该方法可以实现MEMS整体行为的快速仿真,并能分析局部尺寸参数对系统性能的影响。     

一种微机械陀螺自激驱动方式的电学模拟

为提高微机械陀螺的检测精度，稳定驱动振动速度幅度，提出了微机械陀螺的自激驱动方式，它能够使驱动振动自动稳定在驱动模态的固有频率上振动，以及保持恒定的驱动振动速度幅度。根据自激驱动电路原理，建立了驱动动力学方程的等效电路模型，用PSPICE软件对电路的工作状况进行了模拟，模拟结果验证了该方法切实可行。     

振子框架式微机械陀螺的有限元模拟

利用有限元方法,研究振子框式微机械陀螺主要几何尺寸对其固有频率的影响。根据陀螺驱动模态频率和检测模态的频率匹配,优化了陀螺的结构尺寸,并为结构改进和制备工艺提供理论指导。     

具有中等精度的全数字闭环保偏光纤陀螺仪

报道了一种采用Y分支多功能集成光路和全数字处理技术的具有中等精度的闭环保偏光纤陀螺。测试结果表明,零偏稳定性为0.4(°/h),在整个±300(°/s)的测量范围内,标度因数稳定性优于800ppm.该光纤陀螺仪结构简单,精度高,动态范围大,适合于捷联惯性组合导航系统的应用。     

一种单晶硅振动环陀螺仪的设计与制作

介绍了振动环式陀螺仪的基本工作原理,分析了传统的振动环式陀螺仪所存在的缺陷.并针对这些问题,设计和制作了一种单晶硅式振动环陀螺仪.该陀螺仪采用硅玻璃键合工艺制作,利用振动环作为敏感元件,选取静电激励、电容检测的工作方式.设计陀螺仪的工作频率高于15 kHz,以降低了环境对陀螺仪性能的影响.陀螺仪的制作方法简单,只需要2块掩模板,便于批量化生产.     

环形波动陀螺结构设计与仿真

基于 MEMS 技术,提出了一种环形波动陀螺结构并建立了谐振子的有限元模型。利用 ANSYS软件对谐振子进行了模态分析,确定了各阶振型和固有频率。通过分析谐振子结构参数对振型和频率的影响,得到了谐振子的优化设计参数,优化后其工作频率与其他振型频率的差大于1 kHz,有效避免工作模态与其他模态间的频率耦合。经仿真验证,设计的环形结构的性能参数满足要求,具有明显的优越性。     

Design and Fabrication of MEMS Gyroscopes on the Silicon-on-insulator Substrate with Decoupled Oscillation Modes

The mode coupling is a major factor to affect the precision of the micro electromechanical systems(MEMS) gyroscope. Currently, many MEMS gyroscopes with separate oscillation modes for drive and detection have been developed to decrease the mode coupling, but the gyroscope accuracy can not satisfy the high-precision demand well. Therefore, high performance decoupled MEMS gyroscopes is still a hot topic at present. An innovative design scheme for a MEMS gyroscope is designed, and in this design, the inertial mass is divided into three parts including the inner mass, the outer mass and the main frame mass. The masses are supported and separated by a set of mutually orthogonal beams to decouple their movements. Moreover, the design is modelled by multi-port-element network(MuPEN) method and the simulation results show that the mode coupling of the gyroscope between driving and sensing mode was eliminated effectively. Furthermore, we proposed a new silicon-on-insulator(SOI) process to fabricate the gyroscope. The scale factor of the fabricated gyroscope is 8.9 mV/((o)?s) and the quality factor(Q-factor) is as high as 600 at atmosphere pressure, and then, the resonant frequency, scale factor and bias drift has been test. Process and test results show that the proposed MEMS gyroscope are effective for decrease mode coupling, furthermore, it can achieve a high performance at atmosphere pressure. Furthermore, the MEMS gyroscope can achieve a high performance at atmosphere pressure. The research can be taken as good advice for the design and fabrication of MEMS gyroscope, meanwhile, it also provides technical support for speeding up of MEMS gyroscope industrialization.     

利用负刚度效应调谐的硅调谐式陀螺仪

为了验证硅调谐式陀螺仪原理的可行性,研究了硅调谐式陀螺仪的调谐机理,硅转子运动模态和加工工艺以及信号检测与再平衡控制回路。提出了一种利用力矩器的负刚度效应来实现硅调谐式陀螺仪调谐的新方法,推导了静电负刚度调谐的理论公式;设计、仿真、加工了硅薄片式转子平衡环部件和电容器极板,给出了电容信号敏感接口电路、升压放大电路、反馈校正电路和再平衡控制回路。在此基础上,实现了硅调谐式陀螺仪原理样机。试验结果证实,利用负刚度效应调谐是可行的,接口电路和再平衡控制回路设计是合理的。初步性能测试表明,硅调谐式陀螺仪可实现标度因数为1.42mV/((°)/s),标度因数非线性为2.47%,量程为±200(°)/s。试验结果验证了该陀螺仪基本原理的可行性。     

基于子结构模型的音叉振动式微机械陀螺的检测电容解析方法

为建立加工缺陷对微机械陀螺性能影响的机理性模型,解决高精度微机械结构优化设计的计算时间问题,以微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为研究对象,利用多自由度动态有限元解析理论,提出基于子结构模型的检测电容解析法,实现微陀螺实际工作状态的模拟,并对模拟结果进行试验验证。从实例解析出发,发现微陀螺加工缺陷和工艺误差虽然对其结构固频特性影响不大,但是对其最终输出的电容检测特性具有较大影响这一重要现象。解析方法和结果在提高微机械陀螺解析精度和解析效率的基础上,对多物理场耦合工作环境下音叉振动式微机械陀螺健壮性能的解析和评价具有重要的参考价值。     

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。     

温度对无驱动结构硅微机械陀螺信号相位差的影响

在旋转载体用硅微机械陀螺的信号解调中,陀螺与加速度计信号的相位差起到至关重要的作用,必须考虑温度对陀螺与加速度计信号相位差的影响,以及温度对陀螺输出的影响.通过测试加速度计温度特性及陀螺温度特性,并将二者进行比较,研究了温度对陀螺与加速度信号的相位差的影响,证实温度对陀螺输出影响很小,温度对硅微机械陀螺的信号相位差影响很小.