收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

可调谐栅结构微机械陀螺的研究

胡世昌  
【摘要】:陀螺是一种实现角速度或角位移测量的传感器,是惯性测量单元(IMU)的重要组成部分。微机械陀螺相对于传统的刚体转子陀螺与光学陀螺而言,具有体积小,低成本,低功耗,可批量生产等特点,成为近几十年的研究热点。其应用领域包括消费电子,汽车工业,导航系统等。 栅结构微机械陀螺采用变面积电容结构,其平面内运动模态使其在大气环境下具有较小的阻尼,且其硅玻璃结构使其具有较大的可动质量块,从而具有较小的机械热噪声。传统的栅结构微机械陀螺由于采用变面积电容进行驱动及检测,无法在驱动或检测模态上对陀螺的谐振频率进行调整,驱动与检测模态不能实现完全匹配,导致陀螺的性能不能得到有效的提升;另外,由于加工工艺误差导致的离散性较大,器件性能不一。本论文在传统的栅结构微机械陀螺的基础上,对器件结构与电路进行改进,实现陀螺驱动与检测谐振频率的匹配,使陀螺性能得到优化。主要工作内容以及创新点如下: 1)针对传统栅结构微机械陀螺无法对驱动及检测模态的谐振频率进行调整的问题,提出并实现了一种新型的可调谐栅电容结构。该结构中可动电极仍为矩形,而固定电极改为三角形,三角形固定电极的一边与可动电极的长边交叠。当可动电极与固定电极间有一固定直流电压时,此栅电容结构即可产生一等效的静电弹性系数,改变陀螺相应方向上总的弹性系数,从而调整驱动或检测模态的谐振频率使其达到匹配。将三角形固定电极的位置水平翻转可得到符号相反的静电弹性系数。实际加工的陀螺器件样品的测试结果表明,检测模态谐振频率与调谐直流电压呈二次曲线型关系,当调谐电压为15V时,检测模态的谐振频率改变13.5Hz,与理论分析结果基本一致。 2)针对MEMS陀螺带宽,已有文献指出,当驱动与检测模态频率差△f较大时,带宽为0.54|△f|,当模态匹配时为fo/2Q,其中fo为器件工作频率,但对于谐振频率差较小但不等于零的情况则没有相关结论。且一般认为,陀螺的灵敏度与带宽是相互制约的两个性能,灵敏度越大,带宽越小。本文通过建立仿真模型进行分析,发现频率差较小时,陀螺带宽与驱动检测模态的谐振频率差关系曲线中存在一个断点,断点外带宽约为0.54|△f|,断点内带宽可明显高于断点外带宽。断点对应的频率差约为fo/Q,断点处的带宽为极大值,约为1.52fo/Q。由于断点处灵敏度比断点外大,可利用该特性优化带宽和灵敏度综合性能。利用具有调谐结构的陀螺器件测试在不同谐振频率差情况下的带宽,验证了上述发现。 3)本文设计的调谐电极在对陀螺的驱动与检测模态进行匹配的同时,可用于对陀螺中的耦合进行力平衡反馈。在差分调谐电极上分别施加一具有相同直流及反相交流的电信号,可以同时实现频率匹配与力平衡两种功能。对处于匹配状态下的检测环路进行分析,指出在环路参数选取适当的情况下,检测闭环可以提高陀螺系统输出带宽,且不改变输出的噪声基底。在适当的参数下对系统的性能进行测试,闭环情况下的系统输出带宽为12.5Hz,相对开环情况下的3.5Hz有较大的提高。闭环情况下的噪声等效角速度为8.467°/hr/√Hz,与开环情况下的9.218'/hr/√Hz基本一致。在±500°/s范围内测试系统输出响应,其非线性度为0.0175%,即175ppm。其二次拟合结果中二次项与一次项比例系数为0.395ppm。在检测闭环情况下对系统的输出稳定性进行测试,1小时的最佳测试结果为标准差15.65°/hr, Allan方差2.7。/hr。根据现有文献,此结果是大气环境下工作的MEMS陀螺中测得的最好结果。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王元山,熊敏敏,王寿荣;单片集成三轴微机械陀螺技术初步研究[J];测控技术;2005年10期
2 蒋庆华;苑伟政;常洪龙;崔金强;;一种改进的振动式微机械陀螺驱动电路[J];传感技术学报;2008年03期
3 刘晓为;莫冰;王超;谭晓昀;许晓巍;齐向昆;;微机械陀螺ASIC接口电路设计[J];传感技术学报;2006年05期
4 苏永川;朱振忠;赵治国;张锐;王清亮;李世国;;石英微机械陀螺信号的数字解调[J];压电与声光;2009年02期
5 王安麟;善盈盈;刘广军;姜涛;;基于灵敏度解析的微机械陀螺结构优化方法[J];浙江工业大学学报;2008年06期
6 李晓莹;南素娟;常洪龙;袁广民;白滨;;一种高幅值稳定性的微机械陀螺闭环驱动电路[J];传感技术学报;2010年10期
7 周斌,高钟毓,陈怀,张嵘,陈志勇;微机械陀螺数字读出系统及其解调算法[J];清华大学学报(自然科学版);2004年05期
8 谢建兵;苑伟政;常洪龙;;一种Z轴微机械陀螺的自解耦方法研究[J];传感技术学报;2006年05期
9 杨金显;袁赣南;徐良臣;;基于灰色模型的微机械陀螺温度漂移建模研究[J];传感技术学报;2007年07期
10 谭晓昀;雷龙刚;王冠石;;电容式微机械陀螺双环路闭环驱动电路研究[J];传感技术学报;2010年10期
11 陈永,焦继伟,王惠泉,金仲和,张颖,熊斌,李昕欣,王跃林;大气下工作的微机械陀螺的设计及其噪声特性[J];半导体学报;2005年01期
12 陈伟平;韩天;王浩;陈宏;刘晓为;;一种双自由度双级解耦微机械陀螺的特性分析[J];传感技术学报;2007年11期
13 邱奕文;吴昌聚;王昊;金仲和;王跃林;;振动式微机械陀螺驱动环路数字自动增益控制研究[J];传感技术学报;2008年08期
14 莫冰;刘晓为;谭晓昀;尹亮;丁学伟;汤佳郁;;双电容接口式微机械陀螺的信号检测方法[J];传感技术学报;2006年05期
15 迟晓珠;崔健;闫桂珍;;MEMS陀螺振动特性试验技术[J];传感技术学报;2008年04期
16 王俊杰;车录锋;李玉芳;熊斌;谢铮;王跃林;;高Q值音叉式微陀螺静电自激驱动研究[J];传感器与微系统;2007年10期
17 莫冰;郑琦;刘晓为;陈斯浩;;静电驱动电容式微机械陀螺寄生Coriolis力的建模与分析[J];微电子学;2011年04期
18 谭德生,张巧云;石英微机械惯性传感器的加工技术[J];传感器世界;2002年10期
19 陈永奇;张春熹;王敏;;微机械陀螺在机载光电平台中的应用[J];微计算机信息;2006年05期
20 张金科;田杨萌;王领;张福学;;无驱动硅微机械陀螺信号解调的研究[J];微纳电子技术;2007年Z1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周浩;;稳健设计在微机械陀螺结构参数设计中的应用[A];中国工程物理研究院科技年报/2011年版[C];2011年
2 陈志勇;张嵘;周斌;郭美凤;;微机械陀螺研制进展[A];2003年惯性仪表与元件学术交流会论文集[C];2003年
3 富立;吴维;;微机械陀螺的测试与建模[A];2003年惯性仪表与元件学术交流会论文集[C];2003年
4 张巧云;胡爱民;林日乐;张挺;谢佳维;毛世平;李卯辰;郑永祥;吕志清;;石英微机械陀螺的研究进展及应用前景[A];中国惯性技术学会光电技术专业委员会第五次学术交流会暨重庆惯性技术学会第九次学术交流会论文集[C];2002年
5 庄海涵;王巍;邢朝洋;张廷凯;;线振动微机械陀螺大载荷下频率漂移特性研究[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年
6 李增新;崔燕;李海强;;对谐振轮式微硅陀螺的结构分析与检测[A];2003年惯性仪表与元件学术交流会论文集[C];2003年
7 李东明;周雪梅;苏丽;;小波去噪在微机械陀螺漂移特性分析中的应用[A];2004年船舶仪器仪表学术年会论文集[C];2004年
8 唐彦;张菁华;;用于姿态控制的微机械陀螺电路技术研究[A];全国第十二届空间及运动体控制技术学术会议论文集[C];2006年
9 吴紫峰;陶文中;王长虹;李娟;程颖;邹成斌;;振动棒式硅角速率传感器[A];2000全国力学量传感器及测试、计量学术交流会论文集[C];2000年
10 郑旭东;冯舟;梁新建;万蔡辛;李丹东;;典型高性能MEMS陀螺的比较分析[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 胡世昌;可调谐栅结构微机械陀螺的研究[D];浙江大学;2013年
2 李孟委;基于砷化镓的介观压阻效应微机械陀螺研究[D];中北大学;2010年
3 严庆文;多功能微机械陀螺及其应用[D];北京邮电大学;2012年
4 熊斌;栅结构微机械振动式陀螺[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2001年
5 陈垚;微机械陀螺的材料及器件设计研究[D];中国科学院上海冶金研究所;2000年
6 郑旭东;基于新型梳状栅电容结构的微机械惯性传感器研究[D];浙江大学;2009年
7 陈宏;全对称双级解耦微机械振动式陀螺研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
8 刘广军;音叉振动式微机械陀螺结构拓扑自组织设计方法的研究[D];上海交通大学;2007年
9 李锦明;高信噪比电容式微机械陀螺的研究[D];中北大学;2005年
10 张正福;音叉振动式微机械陀螺结构动态性能解析与健壮性设计[D];上海交通大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵幸娟;电容式微机械陀螺外围接口电路的设计与测试[D];中北大学;2012年
2 郭俊敏;电容式微机械陀螺电路设计与测试技术[D];北京邮电大学;2010年
3 李亚山;微机械陀螺仪的封装研究[D];中北大学;2011年
4 邹江;微机械陀螺信号采集系统设计及滤波方法研究[D];中北大学;2012年
5 温祖强;微型航姿参考系统中微机械陀螺温度误差及补偿算法研究[D];上海交通大学;2011年
6 黄小振;电容式振动微机械陀螺接口电路的设计、模拟与测试[D];中国科学院上海冶金研究所;2001年
7 蒋庆华;音叉电容式微机械陀螺接口电路设计研究[D];西北工业大学;2004年
8 邱奕文;微机械(MEMS)陀螺外围信号数字处理系统研究[D];浙江大学;2008年
9 王晨曦;MEMS陀螺外围信号处理电路数字化初步研究[D];浙江大学;2006年
10 韩天;解耦结构微机械陀螺特性研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 曼溪;法拉帝——游艇中的“奔驰”[N];中国知识产权报;2009年
2 戚兴国 程新华;“三个锤炼”铺就新产品研发“高速路”[N];中国航天报;2011年
3 董芳;法拉帝推出两款最新滑航型游艇[N];中国水运报;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978