微机电系统集成设计方法与实现技术

针对微机电系统设计所存在的多学科交叉、周期长等问题 ,提出自顶向下设计与自底向上修正的双向微机电系统集成设计方法 ,将设计流程分为系统级、器件级和工艺级三个阶层 ;以微惯性器件为典型对象研究了各阶层的关键实现技术 ,并在此基础上构建微机电系统集成设计平台 ;所进行的硅微加速度计设计实例说明平台的设计流程可行 ,同时平台所具有的系统级。

一种可支持任意流程的MEMS设计工具

当前MEMSCAD软件中可以支持的设计流程比较固定和单一,已不能完全满足由MEMS器件种类日益增多所带来的设计新需求.论文提出了一种可支持任意流程的MEMS设计方法,并基于此建立了设计工具原型系统.该方法采用通用的系统级、器件级和工艺级的三级架构,但以网表、标准格式的实体模型和版图文件分别作为这三个级别设计数据的出入口.设计了相应的信息提取算法及程序,实现了任意两个级别之间的数据自动传递,从而可以支持在该架构下的全部六种设计流程.尤其是由系统级到器件三维实体再到工艺版图的设计流程为国际上率先实现,其从功能逐步综合到器件结构,可有效减少设计的迭代次数.设计实例表明,基于该工具可以针对不同的MEMS器件选择最优的设计路线,显著提高了MEMS的设计效率.

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。

支持任意流程的微机电系统设计工具

论述了微机电系统设计工具的发展概况,并针对微机电系统的多样性对设计工具的需求提出了一种可支持任意流程的微机电系统设计工具架构。该架构以系统级行为建模与仿真、器件级物理建模与仿真和工艺级版图设计与工艺仿真三个设计层级为主干,但特别地提出以六个数据自动传递接口来连接任意两个设计层级。这样,三个设计层级通过六个数据自动传递接口构成一个设计闭环,使得用户可以从任意一个设计层级开始设计,并完成设计循环,提供了在设计流程上的最大柔性。以网表、标准格式的实体模型和版图文件分别作为这三个层级设计数据的出入口,并设计了相应的信息提取算法及程序,实现了任意两个级别之间的数据自动传递,从而可以支持在该架构下的全部六种设计流程。所进行的设计实例表明,基于该工具可以针对不同的微机电系统器件选择最优的设计路线,是对当前通用微机电系统结构化设计方法的发展和提高,可显著提高设计效率。

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(RIELag)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1deg/s左右的精度,加速度计有33mV/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.

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。

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个阵列,每两个微型控制力矩陀螺的电压相位依次相差90°,即可消除寄生控制力矩并稳定力矩输出。所设计的微型控制力矩陀螺四单元阵列的力矩输出可达5.12×10-6 Nm。最后,设计了微型控制力矩陀螺两层可动结构的工艺流程,所设计的工艺流程尽管具有一定的复杂性和难度,但均采用了当前一些比较成熟的工艺步骤,具有一定的可行性,有望在微型航天器的姿态控制上得到应用。

交叠式Allan方差在微机械陀螺随机误差辨识中的应用

微机械陀螺随机误差的辨识对提高微机械陀螺的精度具有非常重要的意义。在相同的置信水平下,交叠式Allan方差分析方法比普通Allan方差具有更大的置信区间。论文对交叠式Allan方差在微机械陀螺随机误差辨识中的应用做了深入研究,并基于该方法对某型号微机械陀螺进行了随机误差辨识实验。实验表明该方法能有效地辨识出微机械陀螺的各项随机误差成分。

基于MEMS传感器的微型姿态确定系统研究

针对捷联式姿态确定系统误差随时间积累的缺点,设计了一种由MEMS陀螺、加速度计及微磁强计组合的姿态确定系统。采用Allan方差方法分析了陀螺随机误差,通过建立姿态误差四元数微分方程和磁强计线性化测量方程,设计了姿态估计卡尔曼滤波器。系统采用实际测量值进行姿态解算,结果表明这种组合能够有效抑制传感器随机漂移引起的姿态误差,系统具有体积小、成本低、性能可靠等优点。

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(英文)

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,四元数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.

基于状态约束的MIMU/磁强计组合姿态估计滤波算法

构建了基于MEMS技术的陀螺、加速度计、磁强计及空速计组合的微小型飞行器姿态测量系统。研究了基于四元数的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卡尔曼滤波状态方程,采用速度信息实时补偿加速度计输出值得到重力矢量,利用重力矢量估计水平姿态,通过滤波补偿姿态误差,降低了对陀螺的精度要求。将状态向量之间的约束方程作为伪量测方程引入到量测模型中,解决了由于状态向量相互约束导致的滤波发散和奇异。动态飞行滤波噪声的自适应调整增强了系统性能。仿真和实验表明,该滤波算法能够有效避免系统的漂移,提高系统测量精度和稳定性。

MEMS陀螺随机误差补偿在提高姿态参照系统精度中的应用

为提高航姿系统姿态角测量精度,论文对MEMS陀螺随机误差的测试和补偿进行了研究。运用Allan方差方法分析了MEMS陀螺各项随机误差的特性,建立了针对MEMS陀螺的随机误差补偿模型。采用Allan方差辨识算法完成对各项随机误差的分离,获取速率随机游走(RRW)和角度随机游走(ARW)噪声方差值。通过设计的卡尔曼滤波器对MEMS陀螺随机误差进行实时估计补偿,利用姿态解算算法得到随机误差补偿前和补偿后各3个方向的姿态角。实验结果表明经误差补偿后系统的静态偏航角测量精度提高了3倍、横滚角提高了4倍、俯仰角提高了12倍。

基于自适应UKF算法的MEMS陀螺空中在线标定技术

为保证微型卫星定位应用中系统精度与稳定性,需要对姿态传感器进行实时在线标定。在无外界姿态参考时,提出一种用三轴磁强计测量值来实时估计MEMS陀螺的零漂误差的方法,采用UKF滤波算法,将陀螺漂移作为滤波状态向量,通过建立三轴磁强计测量微分方程,作为系统量测方程实现陀螺漂移的最优估计。针对磁强计测量信息易受干扰导致滤波量测模型不准确的问题,将自适应因子引入到UKF中,通过在线监控和调整测量误差,减少陀螺标定的估计误差,增强系统性能。实验结果表明,经过标定,MEMS陀螺精度提高约30%,并且在磁强计有外界干扰时,陀螺的标定结果收敛。将标定后的MEMS陀螺进行姿态解算,其动态误差小于2°。

虚拟陀螺技术研究

提出了一种基于阵列数据融合的虚拟陀螺技术来提高微机械陀螺的精度.其将多个同类型的陀螺组合形成阵列.采用Allan方差方法提取微机械陀螺的速率随机游走、角度随机游走等噪声,并利用阵列陀螺间同类噪声的相关性建立卡尔曼滤波器的系统噪声方差阵及量测噪声方差阵,设计实现了静态和动态两种最优滤波器对陀螺的输出进行最优估计.实验结果显示:三个偏置稳定性为35deg/hr的微陀螺经静态、动态滤波后,所形成的虚拟陀螺偏置稳定性分别降至0.15deg/hr和20deg/hr,表明该虚拟陀螺技术可有效提高微机械陀螺的精度.

电容式微机械惯性传感器信号检测技术研究

针对具有差分电容接口的微机械惯性传感器提出了一种基于电荷放大器和相关检测技术的接口电路方案.采用电荷放大器作为电容-电压转换电路,来去除传感器本身以及传输导线引起的寄生电容的干扰.利用PSPICE模拟了桥路的不对称性对电路输出的影响,经过比较采用单载波差分电桥结构以进一步增大电容检测的灵敏度.采用相关检测技术进行解调,通过解调电路对前置输出电压和载波信号进行相关运算从而消除电路的宽频噪声;给出了包括布线、接地、去耦等电路工艺的设计原则.采用一组标定电容作为传感器的模型进行了实验,实验电路灵敏度可以达到195V/pF,最小分辨率为1fF.采用该方案能够满足对普通精度的电容式微机械惯性传感器信号的检测.

基于模糊逻辑的MEMS陀螺零漂温度补偿技术

针对MEMS陀螺在外界温度变化时,角速率输出误差较大且为非线性的特点,设计了一种基于模糊逻辑的MEMS陀螺温度补偿方法,采用一元Takagi-Sugeno模糊模型对陀螺零漂的温度误差进行辨识与实时补偿,并就陀螺在自身发热和外界温度变化两种情况下的补偿效果进行了实验验证,结果表明,经过温度补偿,陀螺零漂从0.01003°/s减小到0.007°/s,可满足工程应用的需要。

振动式微机械陀螺驱动控制电路研究

本文分析了微机械陀螺检测灵敏度和驱动信号频率和幅度的关系,在此基础上提出了一种振动式微机械陀螺驱动控制环路方案并给出了相应的电路实现方法.它利用陀螺谐振时驱动信号和驱动模态位移信号具有900相位差这一特性,采用锁相方式完成驱动轴的稳频控制,恒幅控制环节则采用半波整流电路及后续的直流电压调整电路实现,从而完成了对驱动轴的锁相和恒幅双环路控制,保证了陀螺驱动轴的谐振和振幅恒定,有效的提高了陀螺的灵敏度和标度因子的稳定性.最后针对音叉电容式微机械陀螺进行的开闭环对比实验证明,添加控制环路的检测电路零偏稳定性提高了10倍左右.

基于ASIC芯片的微小电容测量电路研究

基于一款专用集成电路芯片(ASIC)HT133实现了一种微小电容测量电路。该电路具有高分辨率、高抗干扰性、偏置调节能力和模拟、数字信号两种输出模式等特点。文中详细论述了测量电路的实现以及电路的抗干扰措施,并通过测定一组微小电容验证了电路的性能。实验表明,电路分辨率达0.5 fF,非线性度8.67%。该电路在各种电容式传感器特别是微机电系统(MEMS)传感器中有广泛的应用前景。

电容式微机械陀螺接口电路

接口电路是电容式微机械陀螺研制中的关键技术之一.给出了一种通用的电容式微机械陀螺接口电路方案.该方案包括电容检测和信号处理两个模块.相位相反幅度相同的两路高频载波加在敏感差动电容的两端形成敏感电桥,另一频率的高频载波叠加了驱动信号后加在驱动差动电容两端形成驱动电桥,质量块作为所有电容的公共端连接两电桥接虚地的放大器,构成前置电容检测模块;后续的带通滤波电路将驱动和敏感信号分离,各自解调滤波得到两个模态相应的振动信息,驱动振动对敏感振动再次解调即可得到和输入角速度信号成线性关系的直流电压.采用音叉电容式陀螺进行实验,结果表明该电路能够有效的能够有效的抑制寄生电容和各个接口电容之间电耦合的,电容分辨率可以达到10-15F.

基于MEMS传感器的起重机吊钩运动实时监控系统

针对起重机吊钩运动状态的实时监控问题,设计并实现了一种基于MEMS传感器的吊钩运动监控系统。利用微型加速度计和磁强计实时测量了吊钩的二维倾角和水平方位角;分析了多种不同的磁强计补偿方法,针对强磁环境下水平方位角误差较大的特点,提出了一种基于T-S模糊逻辑的吊钩旋转角误差补偿方法;研制了系统样机,并进行了性能测试。研究结果表明,起重机吊钩倾角测量精度达到0.3°,平面旋转角精度达到0.8°,可满足实际应用要求,具有良好的应用前景。