一种Z轴微机械陀螺的自解耦方法研究

在分析了微机械陀螺机械耦合误差产生原因的基础上,提出了一种解耦梁方案,可以从结构上消除振动式微机械陀螺敏感模态对驱动模态的耦合影响;基于该解耦梁方案设计了一种新型的Z轴微机械陀螺结构.分析表明,该陀螺结构消除了敏感模态对驱动模态的耦合影响,实现了解耦设计的目的.     

一个单芯片硅微惯性测量组合

论文基于普通的体硅工艺设计实现了一个单片集成式硅微惯性测量组合.通过对敏感表头的结构优化设计达到异构图形长和宽的较高一致度,从而有效降低刻蚀延迟效应(RIE Lag)对大面积结构深刻蚀造成的影响.所加工的样片在不到1cm2的硅片面积上同时包含了三个不同轴向的硅微加速度计和三个不同轴向的硅微陀螺,可对载体在笛卡尔坐标系内六个自由度上的运动分量进行测量.针对这六个片上惯性元器件,分别设计了相应的接口电路并进行了测试.测试表明其中的陀螺可达到1 deg/s左右的精度,加速度计有33 mV/gn的标度因子.论文研究表明这种单片集成式硅微惯性测量组合的实现方法工艺简单,可有效降低惯性测量组合的体积,同时具有进一步提高精度的潜力.     

音叉电容式微机械陀螺的误差源分析与消除

误差源是以弱小信号处理为特征的微机械陀螺精度提高的主要制约因素。分析了音叉电容式微机械陀螺由本身工作模式和加工误差造成的两类误差源，并探讨了相应的消除方法。首先采用分离电极方法消除了驱动模态位移电流对敏感模态输出信号的耦合；用半频驱动方法抑制了驱动电压信号通过寄生电容对输出信号的耦合；通过在玻璃基体上开槽减轻了梳齿电容的静电悬浮以及玻璃基体上的电荷累积现象。然后通过对驱动电压幅值的自动调节弥补了由加工误差所造成的驱动电容不匹配，并采用同步解调消除正交误差。分析结果表明这些误差源的消除可提高微机械陀螺的精度水平。     

一种高幅值稳定性的微机械陀螺闭环驱动电路

优化设计了一种闭环自激驱动电路,有效提高了微机械陀螺的驱动闭环控制精度.根据自激振荡振幅稳定性理论,对相角和增益解耦的闭环驱动系统幅值控制环路进行了分析,计算得到系统环路增益,推导出系统幅值达到最佳状态的环路参数,优化后陀螺的驱动力仅受控于一个可调变量.实验结果显示,改进后的自激振荡波形的均方差为0.0033 V,频率均方差为0.793 Hz,输出的幅值和频率的稳定性都得到了较大改善.对幅值控制环路的改进简化了电路调试,有效提高了陀螺系统的测量精度.     

一种用于MEMS陀螺的高精度电容读出电路的设计

针对电容式MEMS陀螺,设计了一种高精度CMOS接口读出电路。从理论上分析了接口寄生电容、器件的不匹配对接口电路的影响,采用连续时间电压读出方式的检测方法,设计了一款带有输入输出共模反馈的低噪声全差分电荷运算放大器,输入输出共模电压稳定在2.5V,输入端的噪声电压为9nV。载波调制技术用来消除低频闪烁噪声。在Cadence中对设计的接口电路进行仿真分析,并采用PCB电路板进行了实验。结果显示所提出的接口电路不仅消除了大部分寄生电容的影响,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号,而且减小了由于器件的不匹配产生的失调电压对电容分辨率的影响,电路Cadence仿真的电容分辨率可达0.13aF/(Hz)~1/2,能满足惯导级的需求。     

基于TPWL方法的MEMS热微执行器的热电耦合宏建模

本文给出了一种基于轨迹分段线性化TPWL( Trajectory Piecewise-Linear)方法的非线性热电耦合宏建模技术。首先建立了MEMS热微执行器的三维非线性热电耦合模型,并采用有限元方法对其进行空间离散,然后利用新的基于全局最大误差控制的线性化点选择算法获得一组线性化点,最后使用TPWL方法构造MEMS热微执行器的热电耦合宏模型。以平板式热微执行器为例,研究了宏模型的精度、效率及可扩展性。与全模型仿真结果进行比较,宏模型仿真结果的相对误差可达到0.036%,加速比可达到100倍以上。     

Notching效应在MEMS风速仪制造工艺中的应用

深反应离子刻蚀(DRIE)工艺在目前的硅微机械高深宽比结构加工中应用十分广泛。在SOI硅片DRIE刻蚀过程中,存在着一些被认为对刻蚀速率和结构轮廓不利的效应,如横向刻蚀(Notching)效应。通过在结构旁布置牺牲结构-硅岛,利用Notching效应加工出以悬空硅作为敏感单元的风速仪,其响应时间常数和电阻温度系数TCR(Temperature Coefficient of Resistant)分别为1.08μs和4 738×10-6/℃。正如所描述的,对于特定的微机械应用,Notching效应可以转变为一种加工优势,提高了微加工过程中的变化性。     

MEMS CAD软件开发中参数化版图库的研究及实现

这里首先论述了参数杞版图库在MEMS集成设计中的重要意义。并基于版图参数化的思想,以L—Edit作为开发平台,进行了参数化版图库的设计开发。通过对动态链接库文件的调用生成版图,并构建了版图库集成平台。     

模态局部化传感器研究进展

模态局部化现象由诺贝尔奖获得者ANDERSON于1958年发现,对理解在紊乱固体中的电子传递过程具有重大意义,是固态物理领域的重要发现。近些年,模态局部化现象开始应用于传感器设计。模态局部化传感器以不同谐振器之间的幅值比作为输出量纲,实现了超高灵敏度的测量。揭示了振幅比与振动系统结构之间的关系,解释了如何提高模态局部化传感器的灵敏度。并通过典型的模态局部化传感器设计案例,给出了模态局部化传感器的设计规则。     

用于微小型飞行器姿态估计的四元数扩展卡尔曼滤波算法

针对MEMS陀螺、加速度计、磁强计组合的姿态确定系统,笔者设计了用于微小型飞行器姿态估计的四元数扩展卡尔曼滤波算法．取姿态误差四元数和陀螺随机漂移构建滤波状态向量,通过误差四元数微分方程和陀螺随机误差模型建立了卡尔曼滤波状态方程;采用改进的高斯-牛顿算法将传感器观测量转化为四元数,通过与利用陀螺信息估计的四元数相乘,得到姿态误差四元数作为卡尔曼滤波量测值,显著减小了机动加速度对姿态估计的影响．仿真实验显示：四元数静态估计误差小于0．22％,在动态情况下,四元教估计值能够较好地跟踪真实值的变化,表明该滤波算法能够有效提高姿态估计的精度．