微机械音叉陀螺的误差源研究􀀁

定性地讨论了微机械音叉特有的一些误差源。主要有机械结构的Ｂｒｏｗｉｎａｎ噪声,电路噪声,等。对上述误差源的认识是微结构制造和电路设计的基础。     

驱动微梁梁宽误差对微陀螺性能的影响

建立了3类微梁加工误差的有限元分析模型,采用有限元分析的方法研究了3种不同类型的梁宽误差对微陀螺固有频率、模态和检测信号的影响.研究发现:驱动微梁尺寸的加工误差不仅会影响到驱动模态的固有频率,同时也会对检测模态的固有频率产生影响;同一对角线上微梁尺寸相同的加工误差会引起微陀螺驱动模态及检测模态的耦合,并给出了模态耦合的特征,且耦合程度随梁宽误差的加大而增加;同一侧梁宽相同及只一根微梁梁宽存在加工误差时的模态耦合可以忽略;模态耦合会对微陀螺的检测信号产生严重的干扰,干扰程度与模态耦合程度正相关.     

硅微机械陀螺表头温度特性研究与测试

硅微机械陀螺目前已经能达到较高的精度,但温度的变化对它的性能有较大的影响.为了改善硅微机械陀螺的温度性能,从硅微机械陀螺的基本原理入手,通过分析及测量微机械表头的传递函数中各个参数随温度的变化规律以及它们对陀螺性能的影响,找到了影响陀螺温度性能的关键参数和改进方法,对陀螺的微结构设计和陀螺的温度补偿电路设计都有重要的指导意义.     

振动式微机械陀螺的带宽特性分析

对振动式微机械陀螺的带宽特性进行了讨论,以设计的一种带解耦结构的振动式微机械陀螺为模型,利用数学工具软件MATLAB对其进行了带宽特性分析.分析结果表明,对于2自由度的陀螺,驱动频率的带宽不仅与驱动模态和检测模态的频率匹配有关,而且与两个模态的阻尼匹配有关.随着驱动模态和检测模态频率匹配的降低,带宽先增加然后基本保持不变.随着驱动和检测模态阻尼匹配的降低,带宽一直减小.通过实现驱动模态与检测模态的频率匹配和阻尼匹配可以获得最大机械灵敏度和最大驱动频率带宽.     

微机械陀螺DRIE刻蚀过程中的局域掩膜效应

在微机电系统(MEMS)制造中,深反应离子刻蚀(DRIE)过程的精度是影响器件特性的重要因素之一.本文设计了一种完全对称弹性梁结构的模态匹配式陀螺的原型器件,以此为对象研究了局域掩膜图形对于DRIE刻蚀过程的影响.器件的测试结果表明驱动和检测模态有明显的失配,该失配的发生原因除了气体阻尼,更主要来源于驱动和检测结构弹性梁尺寸的工艺偏差.在分析了实验过程及结果的基础上可以认为,除了典型的DRIE滞后效应等因素外,器件结构的局域掩膜效应加剧了工艺偏差:对称弹性梁结构周边的非对称掩膜图形导致了刻蚀气体分布的局部不均匀,增加了DRIE刻蚀的侧蚀偏差.     

硅微机械陀螺的研究

介绍硅微机械陀螺的研究。这种陀螺用半导体加工技术生产，该陀螺的突出优点是尺寸小、重量轻、功耗和成本低，它的进一步发展可使仪表小型化，可望从飞机、汽车到电子外科手术仪器和模型飞机等方面得到广泛应用。     

MEMS微机械陀螺温度特性分析与建模

针对MEMS微机械陀螺的零偏随温度变化波动较大的特性,通过建立MEMS陀螺零偏随温度变化之间的误差模型,在温度范围为-20℃~60℃温箱试验下,分析MEMS陀螺的零偏输出变化,经去除野值后使用建立的误差模型对零偏进行补偿,结果表明,MEMS陀螺仪因温度引起的零偏从最大约为160°/h,经补偿后降至约为10°/h。该温度误差模型使MEMS陀螺的全温区零偏特性得到了一定程度的提升,为提高之后的导航精度打下基础,具有一定的工程价值。     

硅微机械音叉陀螺检测灵敏度与固有频率的关系

检测灵敏度直接关系到陀螺性能的优劣。并尝试用静电力调节敏感模态谐振频率，以提高检测灵敏度。     

硅微机械振动陀螺的静电驱动

详细分析了双框架结构的硅微机械振动陀螺的驱动技术。结果说明：为了获得陀螺的最佳灵敏度，陀螺外框架上外加驱动电压的人小和频率的选择受到陀螺内外框架固有频率的约束。     

基于相位控制的硅微机械陀螺驱动控制技术

全面分析、研究并实现了一种基于相位控制的硅微机械陀螺(Silicon micromechanical gyroscope, SMG)驱动控制技术. 分析了硅微陀螺驱动模态的动力学特性,阐述了相位控制方案的基本原理; 在此基础上建立了控制环路,采用自激振荡理论分析了其稳定性; 建立了环路的相位模型,引入特异因子实现相位控制误差到频率差 (工作频率与驱动模态谐振频率之差)的转换; 建立了对应于相位控制环路的频率模型,当环路滤波器为一阶模型时, 与传递函数为二阶的信号跟踪锁相环(Phase locked loop, PLL)不同,总的闭环模型仅为一阶; 最后基于FPGA平台,采用线性鉴相方式设计了数字化相位控制环路, 并结合幅值控制实现了双闭环驱动控制电路.测试结果表明, 该方案可实现硅微陀螺驱动端的高精度控制.     

微陀螺仪特征频率分析及结构参数优化

应用Coventorware软件系统模型的方法对一种振动板式微陀螺仪进行了特征频率分析和结构参数优化,研究了静电压对特征频率的影响。并用有限元分析方法进行了验证,比较了两种方法的差别。     

基于公理设计理论的微机械石英陀螺的研究

运用公理设计的理论分析了振动陀螺的原理,提出了振动陀螺的公理设计模型,并用这种模型对微机械石英陀螺的振动敏感元件—石英音叉片进行了解耦分析。运用灵敏度的有限元分析方法对石英音叉片的解耦设计的优劣进行了评价,为后续的设计提供有益的参考。     

基于集成温度传感器的硅微陀螺仪数字化温度补偿研究

提出了一种基于集成温度传感器的硅微陀螺仪数字化温度补偿方法。首先,介绍了集成温度传感器的硅微陀螺仪基本结构原理,分析了硅微陀螺仪动力学方程以及温度变化对硅微陀螺仪谐振频率、品质因数、标度因数和零偏的影响。然后,设计了基于FPGA的硅微陀螺仪数字化补偿电路。最后,经过温度特性实验得到标度因数和零偏随温度变化曲线,建立了温度补偿模型,提出分段温度补偿方法。经过温度补偿后,标度因数和零偏的温度系数分别由316.66×10-6/℃和366.22°/(h·℃)减小为69.67×10-6/℃和115.25°/(h·℃),证明了补偿方法的正确性和可行性。     

石英音叉陀螺误差分析

从理论上分析了石英音叉陀螺仪的几种主要误差源:电容耦合、机械耦合和驱动力耦合,分别建立了这几种误差源的物理模型,并推导了各种误差源的计算公式.通过实例计算,得到了各项误差的影响强度.将计算结果与样机的实测值进行比较,两者基本吻合,从而证明了石英音叉陀螺误差源模型是合理的.     

微型半球陀螺仪的误差源研究

讨论了微型半球陀螺仪特有的一些误差源,主要有感测电路上的量测误差、电极与薄壳间电容的非线性效应误差、温度变化所引发的热漂移、线加速度所引发的误差以及非对称结构和非对称阻尼误差等。对上述误差源的认识是微结构制造和电路设计的基础。     

硅微角振动陀螺仪温度特性补偿方法研究

在研究硅微角振动陀螺结构和温度特性的基础上,创建了二元高阶多项式补偿模型,并设计了基于STM32F405的硬件补偿电路,实现该陀螺仪实时温度补偿.实验结果表明:温度补偿后的标度因数温度系数和全温零偏稳定性分别由344 ×10-6/℃和441°/h减小为12.6×10-6/℃和40.6°/h,使得该陀螺仪的温度特性有明显改善,验证了该补偿方法的有效性和可行性.     

磁悬浮转子微陀螺电容结构设计

为了实现磁悬浮转子微陀螺的电容检测,使用数值积分方法计算了新型磁悬浮转子微陀螺的电容值与转子倾斜角度的关系。计算确定了电容极板尺寸,电容的连接采用了差动电容的连接方式。通过电容检测电路,检测到了小角度输入范围内的陀螺输出信号。检测结果表明:该电容结构对于静态角度输入具有较好的线性响应,该微陀螺原形的电容结构能够检测到的转子倾斜角度可达到0.1°,对应的电容变化约为1 000 aF,满足了微陀螺对电容检测的要求。     

大输出微控制力矩陀螺的设计

为了提高微控制力矩陀螺的输出力矩,提出了一种微型控制力矩陀螺的设计方案.所设计的微型控制力矩陀螺用角振动代替了传统控制力矩陀螺的转动,由转子角振动系统及框架角振动系统组成,实现了基于科氏效应的控制力矩输出.通过框架角振动系统的电极位置居中设置及在玻璃上挖槽的设计,避免了静电吸合现象.四个完全相同的微型控制力矩陀螺构成一...     

微机械振动陀螺模态耦合误差分析与激光修形方法研究

较大的模态耦合误差严重影响陀螺仪的零偏稳定性。研究了一种微机械振动陀螺仪的模态耦合误差形成机理,仿真分析了结构加工误差对模态耦合误差的影响规律。仿真结果表明:振动结构支撑梁上的加工误差是引起结构刚度不对称并产生模态耦合误差的主要因素,在与该加工误差对称的位置去除相应的材料可以减小甚至消除模态耦合误差。采用紫外激光微细加工技术,对微陀螺样机进行了结构平衡实验,激光修形后在没有输入角速度时,微陀螺样机模态耦合误差信号的峰峰值从2.88 V降低到0.24 V,取得了明显的修形效果。     

谐振式微加速度计设计与加工误差分析

为提高谐振式微加速度计的灵敏度和精确度,设计了放大惯性力的柔性微杠杆机构,从理论上分析了微杠杆机构的不对称误差,设计了误差消除机构;经有限元仿真分析证明:所设计的机构能有效减小由不对称误差产生的横向力,有效地消除了放大机构不对称误差对谐振器的影响。分析了形状加工误差对加速度计性能的影响,为制作高灵敏度和高精确度加速度计提供了保障。