微机械振动式陀螺接口电路设计与实现

介绍了一种电磁驱动电容检测的微机械振动式陀螺的接口电路,电路由自激驱动电路和信号检测处理电路组成。自激驱动部分利用陀螺自身的谐振特性配合反馈电路产生自激振荡,同时为检测部分提供了稳定的同步信号;检测部分利用该同步信号和陀螺的输出信号进行同步解调,得到角速度信号。最后对该电路的性能和测试结果进行了分析。

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。

振动式微机械陀螺的等效电学模型

根据振动式微机械陀螺的工作原理,建立了其机械特性的等效电路模型。陀螺差分检测电容模型和振动的等效电路模型构成了陀螺的等效电学模型,该模拟模型组合了传感器的机械特性和电学特性。陀螺等效电学模型通过电路模拟工具PSPICE实现,可用于分析陀螺的振动特性、对角速度的频响特性,优化陀螺的工作方式;还可以与接口电路混合模拟,分析陀螺和检测电路的整体性能,优化检测电路的设计。

石英单晶微机械陀螺仪研究进展

对Z切、ST切、AT切三种切割方式的石英单晶微机械陀螺仪的基本工作原理进行了阐述,梳理了不同类型陀螺仪的发展历程,重点介绍了三种石英单晶微机械陀螺仪的设计结构、性能特点及其应用场景,并从灵敏度、动态范围、稳定性、抗冲击性及工作频率等方面对三种类型石英微机械陀螺仪各自的性能优势与面临的技术挑战进行了评述,总结了当前国内外在石英单晶微机械陀螺仪研究领域的主要进展和创新点。最后,针对不同切割方式的石英单晶微机械陀螺仪的结构及工作特点,分析了其各自的优点与不足,进行了总结和对比,讨论了石英微机械陀螺仪的未来发展方向。

一种系统级微机械振动陀螺的设计与仿真

针对微机械传感器设计存在的流片成本高、耗时长等问题,在ConventorMEMS+和Matlab/Simulink环境下设计了一种静电驱动的微机械振动陀螺,对模型进行系统级的仿真测试。通过模态分析、直流分析、交流分析等方法优化模型结构,同时结合虚拟体硅刻蚀工艺抽取建立了微机械振动陀螺的传递函数模型,在Simulink中进行系统级仿真分析,获得了系统的暂态响应,确定其在开环条件下的谐振频率、安全工作电压、最佳驱动电压频率等关键参数,并得到谐振频率随梁的长度、宽度参数变化的关系。经测试,在工作电压和其他条件相同的情况下,微机械振动陀螺在需要检测的两个模态上谐振频率与仿真分析结果相差仅约3.8%和0.4%,说明系统级仿真结果可以为后续微机械陀螺闭环测控电路设计提供理论和实验依据。

数字滤波器在微机械陀螺系统中的应用

给出了应用数字滤波技术改善微机械陀螺准确度的方法,提出了数字滤波器的设计方法,通过测试数据分析表明效果显著。

基于近似模型的y轴微机械陀螺系统级优化

提出一种基于近似模型的MEMS系统级优化方法,给出具体实现流程,并结合一个y轴微机械陀螺进行优化。该方法解决了如何得到近似优化目标函数表达式的关键问题。所得的y轴微机械陀螺优化参数,使得陀螺驱动模态谐振频率fx和检测模态谐振频率fz分别为3 074 Hz和2 998 Hz,两者之间相差7 6 Hz,较好的实现了模态匹配,且都在3 000 Hz的设计要求附近,约束条件也得到了满足。该优化方法为在MEMS设计中快速获得系统级优化方案提供较好参考。

微机械振动陀螺仪的误差分析

介绍了微机械振动陀螺仪的结构特点及工作机理,建立了其力学模型,并在此基础上,对原理误差进行了定性的分析,得出了影响其精度的主要干扰源,为误差的补偿指明了方向。

陀螺系统的受迫振动及其时滞反馈控制

对简谐激励下陀螺系统的受迫振动及其在含时滞的位移和速度反馈控制下的动力学行为进行研究。利用拉格朗日方程,建立两自由度陀螺系统的运动微分方程。考虑主共振和1:1内共振的情况,采用平均法得到了平均方程。通过对平均方程进行化简,得到关于系统振幅的分岔方程,分别讨论各个参数对系统振幅的影响。根据奇异性理论,分析参数变化对系统分岔行为的影响。对受迫陀螺系统施加含时滞的位移和速度反馈控制,讨论反馈增益和时滞对系统振幅的影响。

加工应力对双线振动式陀螺仪谐振频率的影响

分析了双线振动式陀螺仪在驱动模态和检测模态的振动方程及刚度 ,提出用方波梁代替直梁以减小加工应力对陀螺仪谐振频率的影响。并用ANSYS分析软件对驱动谐振频率进行仿真 。

悬浮转子式微机械陀螺仪的研究进展

介绍了一种不同于振动式微机械陀螺仪的新型微机电系统陀螺-悬浮转子式微机械陀螺仪,并就国内外关于磁悬浮转子微陀螺和静电悬浮转子微陀螺研究的各种结构及其工作原理、工艺和性能特点进行了概述,以展示这一新颖微陀螺的研究现状和发展趋势。

常压下工作的微机械陀螺的频率和阻尼特性

对微机械陀螺振动式陀螺的频率和阻尼特性进行了分析和模拟.以设计的一种微机械陀螺为模型,对其驱动和检测方向的阻尼力系数进行了计算,利用MATLAB模拟了阻尼对灵敏度以及频率特性的影响.得出了不仅频率匹配对微机械陀螺的性能有重要影响,而且阻尼匹配也会影响陀螺的灵敏度和频率特性.

硅微机械陀螺仪温度补偿方法的研究现状

综述了硅微机械陀螺仪温度补偿方法的研究现状。介绍了陀螺仪的基本原理,并分析了陀螺仪的温度特性。分别对温度控制、器件设计和算法补偿三种温度补偿方法进行了原理和结果分析,总结了各种方法的优势与不足。介绍了算法补偿中两种常用的温度误差模型构建方法,算法补偿既符合小体积、低成本的设计理念,又能有效提升陀螺仪的温度稳定性,但复杂的算法需要强大的内存支撑,系统的响应速度亦会受到影响,因此在算法的优化设计方面仍有巨大的研究潜力和空间。随着陀螺仪数字化进程的不断推进,温度误差模型构建的标准化方法以及优化的算法是未来进一步的发展方向。

微机械陀螺控制系统的研究现状

微机械陀螺控制系统主要有两个功能:一是驱动振荡;二是检测振荡。根据国内外微机械陀螺的最新研究发现,在控制系统中一般使用结构已经非常成熟的闭环驱动电路,主要有两种类型:一种是只包含AGC环路的自激振荡闭环驱动,另一种则是在AGC环路的基础上增加了PLL环路的自激锁相闭环驱动。闭环检测相对于开环检测更加复杂,需要综合考虑温度补偿、正交补偿、比例因子补偿以及模态匹配等影响。总的来说针对不同的陀螺结构需要配置不同的电路,通过配置适当的控制系统可以改善由于结构设计和加工制造引起的陀螺缺陷,以及应用环境对陀螺的影响。

微机械陀螺的发展现状

随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展,属于MEMS研究内容之一的微机械陀螺,在汽车工业需求的推动下,已经成为过去几十年内广泛研究和发展的主题。微机械陀螺与传统机械式陀螺、固体陀螺、光学陀螺等相比,具有成本低、尺寸小、重量轻、可靠性高等优点,其精度正不断得到提高,应用领域也随之不断扩大.本文首先简要介绍了微机械陀螺的定义及特征、性能指标、工作原理、分类以及加工技术,随后对己出现的不同类型微机械陀螺的结构、加工方式、工作原理以及性能进行了综述,最后对微机械陀螺的商业化现状以及发展趋势进行了展望。

微机械陀螺的建模与仿真

为了降低微机械陀螺系统的噪声和提高系统分辨率,依据电磁驱动电容检测式微机械陀螺的运动方程和接口电路的传递函数在Simulink仿真平台上建立了系统级仿真模型.模型中加入了传感器的机械热噪声、电路的电热噪声以及传感器内部的耦合效应等.模型不仅能够实现陀螺系统的功能性仿真,还能对各部分噪声源对系统性能的影响进行量化,获得不同耦合情况下的系统主要噪声源.系统噪声仿真结果表明,当陀螺器件内部耦合效应较小时,电容电压(CV)变换电路单元为主要噪声源;当陀螺器件内部耦合效应较大时,陀螺自激端输出信号的带通滤波放大电路单元为主要噪声源,并通过实验测试使仿真结果得到了验证.

旋转载体用硅微机械陀螺的敏感元件

介绍了旋转载体用硅微机械陀螺的敏感原理,计算了硅振动单元振动摆角和敏感电容的关系。介绍了旋转载体用硅微机械陀螺敏感元件的结构和利用双面多次光刻、腐蚀等微机械工艺加工得到硅振动单元的工艺过程。对制作的4个敏感元件的电容进行静态测试,得到4个敏感元件各自电容的静态值,它们之间有所偏差。

一种解耦的微机械陀螺研究

设计了一种解耦的微机械陀螺,它能够极大地降低正交误差信号的影响,从而大大地提高陀螺的性能;制造了一批样机,进行了初步的驱动特性和敏感特性的实验研究。研制结果表明,陀螺性能符合设计要求。

微机械陀螺非平稳随机信号改进GM-AR模型研究

为进一步提高中低精度器件微机械陀螺的测量精度,采用一种基于动窗平滑的GM(1,1)改进模型对微机械陀螺零输入条件下输出的非平稳随机漂移信号进行建模,去除了多种因素引起的确定性趋势项,并与常用的线性拟合、多项式拟合方法进行了对比研究.对比仿真结果表明,改进的GM(1,1)模型可以有效地去除漂移中的确定性趋势项,较以往效果有一定改善,去除了趋势项的残差序列经验证为平稳、零均值的随机过程,对该序列建立了AR模型,利用AIC信息准则检验了模型适用性,检验结果表明,AR(3)模型为适用模型.对补偿前后的漂移序列用A llan方差方法进行分析,可以有效实现对不同频段内噪声模型的辨识,对比结果表明,补偿后的漂移噪声参数有所减小,噪声信号得到有效抑制.