Research and test of the adaptive quadrature demodulation technology for silicon micro-machined gyroscope

A program of adaptive quadrature demodulation is proposed to supply the gaps in the traditional analog detection technology of a silicon micro-machined gyroscope (SMG). This program is suitable for digital phase locked loop (DPLL) drive technology that proposed in other papers. In addition the program adopts an adaptive filtering algorithm, which selects the in-phase and quadrature components that are outputs of the DPLL of the SMG's drive mode as reference signals to update the amplitude of the in-phase and quadrature components of the input signal by iteratively. An objective of the program is to minimize the mean square error of the accurate amplitudes and the estimated amplitudes of SMG's detection mode. The simulation and test results prove the feasibility of the program that lays the foundation for the further improvement of the SMG's system performance and the implementation of the SMG system's self-calibration and self-demarcation in future.

一种基于滑膜阻尼效应的新型微机械陀螺

介绍了一种基于滑膜阻尼效应的新型音叉式微机械陀螺。该陀螺包括两个驱动质量块和由各自驱动质量块支撑的检测质量块 ,通过检测质量块上的栅形电极与玻璃衬底上的固定检测电极之间的电容变化实现角速度信号的检测。对陀螺进行了结构设计和分析。在陀螺芯片的制作过程中 ,解决了深反应离子刻蚀过程中的根部效应和滞后效应等问题。初步测试结果表明 ,该陀螺灵敏度和非线性度比较理想。

大气下工作的微机械陀螺的设计及其噪声特性

设计了一种基于体微机械加工技术的新型音叉式微机械陀螺 .该陀螺在驱动模态和检测模态的空气阻尼均为滑膜阻尼 ,有效提高了微机械陀螺的Q值和灵敏度 ,同时降低了陀螺的热机械噪声 .对陀螺噪声特性进行的分析表明 ,该陀螺具有相对很低的热噪声 .制作了陀螺芯片 ,并测试了其机械性能和噪声特性 .结果表明 ,该陀螺的噪声谱密度不超过 6 0 μV/Hz,灵敏度为 10mV/(°·s-1) .

硅微机械陀螺仪的机电接口模型分析

建立了某种硅微机械陀螺仪的电路模型,分析了寄生电容对接口电路的影响。结果表明,合理的接口电路不仅消除了大部分的寄生电容的影响,而且减小了信号的衰减幅度,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号。最后对接口电路进行了改进,除了保留以上的一些优点外,还减小了载波信号的变化和电源变化对电容分辨率的影响,提高了整个电路的分辨率。

硅微振动陀螺仪驱动器自激驱动研究

为了提高硅微机械陀螺仪的检测精度,稳定驱动振动速度的幅度和频率,采用了硅微机械陀螺仪自激驱动方式。该方式能够使驱动振动自动稳定在陀螺仪驱动模态的谐振频率上。同时,采用自动增益控制(AGC)保持恒定的驱动振动幅度。根据自激驱动电路原理和现有的陀螺样品,建立了陀螺仪驱动动力学方程的等效电路模型。设计、制作了自激驱动电路,仿真和实验结果表明该方法切实可行。

一种栅型结构微机械陀螺的研究

介绍了一种新型结构微机械陀螺的设计及制作。新型陀螺的驱动振动和敏感检测振动的阻尼均为滑膜阻尼 ,且几乎相同 ,惯性质量块为栅型结构 ,由弹性悬臂梁支撑 ;驱动固定电极和敏感检测固定电极位于惯性质量块下方。分析了新型陀螺的工作特性 ,说明了陀螺结构参数对陀螺灵敏度的影响。实验结果表明 ,在大气状态下 ,新型栅结构微机械陀螺的驱动和敏感检测品质因子 Q均可达到

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.

实时小波滤波方法在硅微陀螺仪中的应用研究

采用实时小波滤波技术构建硅微陀螺仪数字化平台,对快速的Mallat算法选用何种小波基,是否采用软硬阈值处理以及选用何种尺度和采样点数进行深入分析。考虑到滤波效果即陀螺仪输出信号滤波前后Allan方差改进情况和硬件处理的实时性,通过比较最终选择3尺度16点软阈值db2小波Mallat快速算法。仿真计算和实验结果表明该滤波方法对改善微机械陀螺仪的零偏稳定性有一定的实用价值。

一种新型微机械陀螺的研究

设计了一种检测模态和驱动模态具有相近品种因子的微机械陀螺。这种我们称之为栅型结构的陀螺由悬空弹簧将具有栅条的检测质量块与衬底相联。计算结果表明 ,这种器件在大气压条件下其驱动模态和检测模态的品质因子几乎同为 14 0。同时 ,计算结果还表明可以获得比较平坦的较大带宽。采用硅 玻璃键合和深反应离子刻蚀技术制作了这种器件。

高真空环境下硅微机械陀螺品质因数的温度特性

分析了温度在高真空环境下对硅微机械陀螺品质因数的影响机理。阐述了热弹性阻尼的复频率模型和硅材料的温度特性,建立了品质因数温度特性理论模型,并对理论模型进行了仿真验证和实验验证。理论计算得到常温下品质因数的温度系数为-9.76×10-3/℃。利用ANSYS对品质因数的温度系数进行仿真分析,得到常温下品质因数温度系数的仿真值为-9.96×10-3/℃。对硅微机械陀螺进行品质因数温度实验,得到常温下品质因数的温度系数为-9.02×10-3/℃,与理论计算结果相差8.20%。实验结果表明:高真空环境下建立陀螺品质因数温度特性的理论模型可为陀螺的温度误差补偿提供理论依据,为陀螺的优化设计提供实际指导。

硅微陀螺仪闭环校正控制系统设计

为了提高硅微陀螺仪的精度,对硅微陀螺仪的闭环校正控制系统进行了研究.首先,推导了简化的开环系统传递函数,分析表明为了防止谐振峰值的出现,相对频差δf必须小于等于1/(2Qy).其次,利用反馈力矩器的负刚度效应,消除两模态的相对频差,提高系统的机械灵敏度.最后,在无频差情况下,设计一个带有无源阻抗网络的比例-积分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)校正环节,校正后系统的相角裕度为52°,幅值裕度为18dB,闭环带宽为931 rad/s,实现了闭环系统校正.仿真和实验表明闭环校正电路是可行的.相对于开环检测,闭环校正系统的量程增加了1.6倍,标度因数非线性减小了45.6倍,零偏稳定性提高了2.56倍.同时,标度因数对称性、标度因数重复性、阈值和分辨率等性能都得到较大改善.

硅微机械陀螺仪封装应力研究

封装热应力会降低硅微机械陀螺仪性能,为了减小封装热应力,对封装热应力与封装材料之间的关系进行了研究.首先对封装的硅微机械陀螺仪结构进行了简化,建立了有限元模型,仿真并分析了在封装过程中陶瓷基底材料和粘接剂对热应力的影响.仿真结果表明,陶瓷基底和粘接剂的热膨胀系数与硅的热膨胀系数匹配,且粘接剂的杨氏模量较小时,热应力较小.粘接层厚度超过60μm,平面尺寸大于陀螺仪芯片尺寸时,热应力较小.

硅微陀螺仪接口电路分析

建立了某硅微陀螺仪的等效电路,分析了寄生电容对接口电路的影响。结果表明,合理的接口电路不仅消除了大部分寄生电容的影响,而且减小了信号的衰减幅度,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号。最后对接口电路进行了改进,保留了以上的优点,减小了载波信号的变化和电源变化对分辨率的影响,提高了整个电路的分辨率。

Z轴硅微机械陀螺仪温度特性研究

硅陀螺仪是近年来发展起来的一种新型角速度传感器,温度变化是其主要误差源之一。分析了温度变化对硅微陀螺仪的谐振频率和品质因数的影响,并选择常温下机械品质因数不同的两个陀螺在-40℃~80℃温度范围内进行测试,得出机械品质因数和谐振频率随温度变化规律。实验结果验证了陀螺仪谐振频率随温度升高而线形下降;温度变化时,封装陀螺仪抽真空度对陀螺机械品质因数产生明显影响。

基于带通Σ-Δ调制器的硅微机械陀螺力反馈闭环检测

为了提高硅微机械陀螺(SMG)的性能,研究了一种基于四阶机电结合带通Σ-Δ调制器(SDM)的硅微机械陀螺力反馈闭环检测方法。基于谐振器级联谐振前馈(CRFF)结构设计了该方法的仿真模型,并利用商用软件SD TOOLS计算了环路参数。采用MATLAB/SIMULINK对设计结果进行了行为级仿真,结果表明,1 Hz条件下环路的信噪比达到了109.2dB,符合设计预期。在此基础上,以现场可编程门阵列(FPGA)为数字处理核心搭建了硅微机械陀螺数字化测控电路并进行了性能测试。结果表明,采用带通SDM闭环检测技术和数字化闭环驱动技术后,硅微机械陀螺的Allan方差零偏不稳定性约为1.15(°)/h,角度随机游走约为7.74×10-2(°)/√h,且信噪比参数满足了设计目标。得到的结果证明了设计方法的正确性;显示提出的带通SDM力反馈闭环检测方法有助于提高SMG的性能,拓展其应用领域。

一种改进的高精度硅微陀螺仪闭环驱动方案研究

提出了一种改进的高精度硅微陀螺仪闭环自激驱动方案。该方案对相角进行了优化控制,消除了驱动频率和驱动模态固有频率的相对频差影响,实现了闭环驱动的相角和增益条件的解耦。利用闭环回路中直流控制量与驱动力间的非线性关系,实现闭环自激控制。试验结果表明,1小时内,驱动频率变化的均方差为0.009Hz,相对变化量为2.2ppm;驱动幅度变化的均方差为0.0025mV,相对变化量为15ppm。由此可见,本方案使驱动频率和幅度稳定性得到了极大提高。

双框架式硅微陀螺仪正交信号分析

推导了内驱动,外检测双框架式硅微陀螺仪驱动和检测模态的运动方程.在此基础上,利用弹性主轴原理,推导了内外框弹性主轴偏转产生正交信号与敏感信号的比值表达式.同时还推导了外驱动,内检测双框架式硅微陀螺仪在内外框弹性主轴偏转产生正交信号与敏感信号的比值.分析表明,在相同情况下,前者的正交信号要远大于后者.最后测定了这两种框架式硅微陀螺仪的正交信号,大小分别为2 380.1°()/s和376.3(°)/s,印证了理论的正确性.

z轴硅微陀螺仪高精度闭环驱动研究

提出了一种z轴硅微陀螺仪高精度闭环驱动方案。该方案实现了闭环驱动的相角和增益条件的解耦;对相角进行了优化控制,消除了驱动频率和驱动模态固有频率的相对频差影响;利用闭环回路中直流控制量与驱动力间的非线性关系,实现闭环自激控制。试验结果表明,1 h内,驱动频率变化的均方差为0.009 Hz,相对变化量为2.2 ppm(1 ppm=10-6);驱动幅度变化的均方差为0.002 5 mV,相对变化量为15 ppm;驱动信号的噪声功率谱密度低于-100 dB。由此可见,本方案使陀螺仪驱动性能得到了极大提高。

基于傅里叶解调算法的硅微陀螺仪控制系统设计与试验

为了改善硅微陀螺仪控制精度,采用基于现场可编程门阵列(FPGA)实现的傅里叶解调算法,结合同步倍频采样技术,分别对硅微陀螺仪驱动轴检测信号和敏感轴检测信号进行解调.并借助自动增益控制(AGC)和锁相环(PLL)技术,实现硅微陀螺仪的闭环驱动控制和高精度解调输出.仿真和试验结果表明:相比于乘法解调,傅里叶解调算法具有更好的解调精度和更强的抗噪声能力;驱动振幅控制精度达到7.5×10-6,全温频率跟踪最大误差为50 mHz;试验陀螺的零偏稳定性由采用乘法解调算法的24.83(°)/h提高到采用傅里叶解调算法的10.65(°)/h.试验验证了傅里叶解调算法在硅微陀螺仪数字控制系统中的可行性和有效性.

硅微陀螺仪的正交误差分析

推导了双框架式硅微陀螺仪驱动模态和检测模态的运动方程,定义了驱动位移和敏感位移。在此基础上,利用弹性主轴原理,分别推导了内外框弹性主轴偏转产生的正交误差信号表达式及正交误差信号和敏感信号的比值表达式。分析结果表明,双框架式硅微陀螺仪内外框弹性主轴发生偏转时,都将产生正交误差位移,且双框架式硅微陀螺仪产生的正交误差位移数值相当于单框架式硅微陀螺仪正交误差位移的两倍。测定了双框架式硅微陀螺仪的正交误差,正交误差信号,其值为431°/s,此时偏转角度仅为0.0196°。