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MEMS环形陀螺仪正交误差补偿系统设计 被引量:8
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作者 薛日辉 张英杰 +3 位作者 曹慧亮 崔让 刘宇鹏 石云波 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第6期782-787,共6页
以一种电容式全对称S形弹性梁硅基环形波动陀螺仪为对象,对其正交误差进行了相关的研究,以提升MEMS环形陀螺仪的精度。首先,介绍了环形陀螺仪结构,同时以此结构为基础分析了正交误差产生的原因及影响;然后,对环形陀螺仪检测通道的输出... 以一种电容式全对称S形弹性梁硅基环形波动陀螺仪为对象,对其正交误差进行了相关的研究,以提升MEMS环形陀螺仪的精度。首先,介绍了环形陀螺仪结构,同时以此结构为基础分析了正交误差产生的原因及影响;然后,对环形陀螺仪检测通道的输出信号进行量化分析,并根据正交力校正法设计了环形陀螺仪的正交误差补偿系统;最后,对加入正交误差补偿后的环形陀螺仪进行了实验测试。结果显示,校正后的零偏、零偏稳定性分别为-2.62°/s、1.37°/h,与校正前相比,分别提升了3倍和10.6倍,验证了该正交误差补偿系统对陀螺仪正交误差的抑制效果,补偿后陀螺仪的零偏稳定性显著提升,陀螺输出更加稳定,为MEMS陀螺仪应用于未来军事及民用领域奠定了基础。 展开更多
关键词 mems环形陀螺仪 正交误差 正交力校正法 正交误差补偿系统
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MEMS环形谐振陀螺的结构设计与振动特性分析 被引量:7
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作者 寇志伟 刘俊 +2 位作者 曹慧亮 石云波 张英杰 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2018年第2期275-280,共6页
针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设... 针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设计的主要理论参数。为了得到该陀螺精确的谐振子特性参数,基于角度敏感原理、谐振结构的材料力学性能与机械振动特性,推导了谐振结构的等效刚度系数与固有频率的理论模型,并且分别进行了有限元仿真分析与样机频率特性测试。结果表明该理论模型计算的固有频率与有限元分析的误差为7.0820%,与样机实际测试的误差为3.9035%,证明了理论模型的正确性,为该陀螺的进一步研究提供了理论依据。 展开更多
关键词 mems 环形谐振陀螺 结构设计 振动特性 固有频率
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单晶硅振动环陀螺仪的制作 被引量:5
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作者 张明 陈德勇 王军波 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第11期2454-2460,共7页
为了简化电容式振动环陀螺仪的制作方法,进一步提高成品率,提出了一种结合反应离子深刻蚀(DRIE)与阳极键合的陀螺仪制备方法。分析了振动环陀螺的工作原理,指出了传统工艺存在的缺陷;对该制作方法所采用的工艺流程进行了详细设计,分析... 为了简化电容式振动环陀螺仪的制作方法,进一步提高成品率,提出了一种结合反应离子深刻蚀(DRIE)与阳极键合的陀螺仪制备方法。分析了振动环陀螺的工作原理,指出了传统工艺存在的缺陷;对该制作方法所采用的工艺流程进行了详细设计,分析了不同工艺参数对陀螺仪性能的影响,并依据分析和实验结果改进了工艺流程和参数。最后,采用该方法制作了振动环式微机械陀螺仪并进行了测试。实验结果表明,采用该方法能成功制作电容间隙为3μm、厚度为80μm的振动环式陀螺仪微结构。与传统的制作方法相比,工艺流程大为简化,掩模板数量从7块减少到2块,满足器件性能可靠、工艺简单、成品率高的要求。 展开更多
关键词 微机械加工工艺 深刻蚀 阳极键合 振动环陀螺
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环形微机械陀螺抗冲击性能的稳健性模型与优化 被引量:5
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作者 姜涛 孙林 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第4期793-799,共7页
为减小尺寸变异对微陀螺仪抗冲击性能的影响,以MEMS环形陀螺仪为研究对象,应用有限元显式动力学分析技术和试验设计方法,通过显著性分析方法研究了各设计参数变异对抗冲击性能的影响,并从中筛选出合理设计变量,进而以最大冲击应力与性... 为减小尺寸变异对微陀螺仪抗冲击性能的影响,以MEMS环形陀螺仪为研究对象,应用有限元显式动力学分析技术和试验设计方法,通过显著性分析方法研究了各设计参数变异对抗冲击性能的影响,并从中筛选出合理设计变量,进而以最大冲击应力与性能变异的最小化为目标,建立了环形陀螺仪抗冲击稳健性优化的数学模型,并通过Pareto多目标遗传算法获得最优设计参数。仿真验证表明采用该设计方法可使环形微机械陀螺在满足正常工作性能的同时,使其抗冲击性能的稳健性也得到明显改善,为微陀螺仪抗冲击设计提供了新的有效方法。 展开更多
关键词 环形微机械陀螺仪 抗冲击性能 有限元分析 稳健性设计
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微振环陀螺标度因数改善与温度补偿 被引量:4
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作者 韦赞仁 张基强 李宏生 《传感器与微系统》 CSCD 2020年第7期31-34,共4页
微机械振环陀螺是基于哥里奥利效应敏感角速度的高精度振动惯性器件,驱动模态和检测模态不匹配将影响陀螺检测的灵敏度,而温度会影响其稳定性。分析了非理想环的动力学方程和静电调谐原理,推导了标度因数与谐振频率的关系并分析温度对... 微机械振环陀螺是基于哥里奥利效应敏感角速度的高精度振动惯性器件,驱动模态和检测模态不匹配将影响陀螺检测的灵敏度,而温度会影响其稳定性。分析了非理想环的动力学方程和静电调谐原理,推导了标度因数与谐振频率的关系并分析温度对标度因数的影响,建立了标度因数温度漂移模型,采用静电调谐技术解决了由于加工差异和单晶硅的各向异性导致的振环陀螺模态失配,在测控系统输出端对标度因数进行了温度补偿。调谐后的标度因数提高到原来的3倍左右,温度漂移从常温下的±14%补偿到±3%,证明了方案的有效性。 展开更多
关键词 微振环陀螺 模态失配 静电调谐 标度因数 温度补偿
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Structure design and simulation of MEMS vibrating ring gyroscope 被引量:2
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作者 寇志伟 曹慧亮 +2 位作者 石云波 刘俊 唐军 《Journal of Measurement Science and Instrumentation》 CAS CSCD 2016年第1期78-83,共6页
MEMS gyroscope is a new inertial navigation sensor,which can measure the input angular rate of sensitive axis using Coriolis effect.Compared to the conventional gyroscope,it owns many unique advantages.A novel structu... MEMS gyroscope is a new inertial navigation sensor,which can measure the input angular rate of sensitive axis using Coriolis effect.Compared to the conventional gyroscope,it owns many unique advantages.A novel structure of vibrating ring gyroscope is proposed and the finite element model of the oscillator is established based on MEMS technology.Through the modal analysis,the natural frequency and mode shapes of the oscillator are obtained.By analyzing the effects of the structural parameters on the mode shapes and frequency of the harmonic oscillator,the optimal design parameters are got.The frequency difference between the operating mode and the other modes is greater than 1kHz after optimization,which can avoid the frequency coupling of the operating mode and other vibrating modes of the oscillator.The simulation results show that the performance parameters of the ring structure meet the design requirements and have obvious advantages. 展开更多
关键词 mems vibrating ring gyroscope inertial sensor angular rate solid wave gyroscope
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高过载MEMS环形陀螺制造与测试 被引量:3
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作者 张英杰 康强 +2 位作者 曹慧亮 石云波 刘俊 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2020年第3期9-14,共6页
提出了一种新型的抗高过载环形振动式陀螺,分析了其工作原理和振动特性。在ANSYS有限元分析软件中建立了该环形陀螺结构的模型,进行了振动特性分析,仿真分析结果显示该环形陀螺工作模态与干扰模态最小频差Δf 2=248 Hz,驱动和敏感模态... 提出了一种新型的抗高过载环形振动式陀螺,分析了其工作原理和振动特性。在ANSYS有限元分析软件中建立了该环形陀螺结构的模型,进行了振动特性分析,仿真分析结果显示该环形陀螺工作模态与干扰模态最小频差Δf 2=248 Hz,驱动和敏感模态频率Δf 1=5 Hz。并且根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应,谐振结构最大位移为14.142μm,结构所受的最大的应力为68.396 MPa,可以正常稳定工作。通过基于SOG(Silicon on Glass)的微加工工艺制造了陀螺样机并完成了初步的测试,模态测试与有限元仿真结果中的模态频率最大误差是4.9%。实验室过载测试结果显示陀螺在15800 g过载下,陀螺工作频率和频差未发生大的变化。 展开更多
关键词 高过载 微机械系统 环形 陀螺 有限元分析 测试
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微谐振陀螺仪从半球到平面的演变
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作者 谷留涛 张卫平 +3 位作者 崔峰 吴雨婷 范重阳 卢浩琳 《半导体光电》 CAS 北大核心 2022年第6期1011-1019,共9页
微谐振陀螺仪是一种固体波动陀螺,常采用微纳制造工艺进行加工,具有小体积、高性能、低功耗、批量化等特点。自1975年世界上第一个半球谐振陀螺诞生以来,微谐振陀螺的谐振子拓扑结构经历了三维结构到二维结构的演变。文章以拓扑结构的... 微谐振陀螺仪是一种固体波动陀螺,常采用微纳制造工艺进行加工,具有小体积、高性能、低功耗、批量化等特点。自1975年世界上第一个半球谐振陀螺诞生以来,微谐振陀螺的谐振子拓扑结构经历了三维结构到二维结构的演变。文章以拓扑结构的发展脉络为主线,对微谐振陀螺的发展过程进行了梳理和总结,最后对目前存在的问题进行了分析,对未来的发展进行了展望。 展开更多
关键词 微谐振陀螺仪 微谐振器 半球陀螺仪 环形陀螺仪 四质量块陀螺仪
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基于参数激励的MEMS环式陀螺驱动方法与实现 被引量:2
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作者 钱磊 赵鹤鸣 +1 位作者 张晓峰 徐大诚 《计算机测量与控制》 2018年第11期293-296,302,共5页
MEMS环式陀螺仪是一种基于哥氏力效应设计出的测量角速度的惯性传感器,其性能与驱动模态直接相关;因此,在传统PLL-AGC驱动控制方法中引入参数激励信号,按照参数激励法驱动陀螺仪,陀螺仪的刚度产生周期性变化,降低驱动信号从而抑制因电... MEMS环式陀螺仪是一种基于哥氏力效应设计出的测量角速度的惯性传感器,其性能与驱动模态直接相关;因此,在传统PLL-AGC驱动控制方法中引入参数激励信号,按照参数激励法驱动陀螺仪,陀螺仪的刚度产生周期性变化,降低驱动信号从而抑制因电馈通导致的驱动端对敏感端产生的误差信号,提高陀螺仪灵敏度;对参数激励的效果进行研究,经实验表明,通过改变参数激励信号的参数,可在驱动响应稳定的前提下对驱动信号进行抑制,在实际测试中驱动信号的幅值下降22.75%。 展开更多
关键词 mems环式陀螺 驱动方法 参数激励 电馈通
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玻璃基环形振动微陀螺谐振子的设计与制造工艺 被引量:1
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作者 王风娇 李新坤 +3 位作者 吴浩越 刘福民 徐宇新 王学锋 《飞控与探测》 2020年第1期75-79,共5页
针对传统单晶硅材料热胀系数不稳定引起的硅基环形振动微陀螺的温度漂移问题,开展了玻璃基环形振动微陀螺谐振子的设计,并提出了一种新型的玻璃基准三维微结构制造工艺,借助微型电子机械系统(MEMS)工艺中成熟的深硅刻蚀、阳极键合、化... 针对传统单晶硅材料热胀系数不稳定引起的硅基环形振动微陀螺的温度漂移问题,开展了玻璃基环形振动微陀螺谐振子的设计,并提出了一种新型的玻璃基准三维微结构制造工艺,借助微型电子机械系统(MEMS)工艺中成熟的深硅刻蚀、阳极键合、化学机械抛光等通用加工技术,融合玻璃熔融工艺,解决了玻璃基准三维微结构的制造工艺难题,同时保证了高的加工精度,实现了玻璃基环形振动微陀螺谐振子的高精度批量制造。 展开更多
关键词 环形振动微陀螺 玻璃基准三维微结构 mems工艺
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MEMS环形谐振陀螺闭环系统建模、仿真与参数分析 被引量:1
11
作者 王浩 叶泽刚 +1 位作者 张奇荣 权海洋 《导航与控制》 2017年第6期25-32,共8页
针对一款数字可配置的MEMS环形谐振陀螺,对陀螺表头和信号处理电路进行数学建模,推导陀螺检测系统指标参数与机电特性参数之间数学关系,为可配置ASIC电路提供理论支撑。通过对实测表头数据和理论模型数据进行对比分析,验证了模型的有效... 针对一款数字可配置的MEMS环形谐振陀螺,对陀螺表头和信号处理电路进行数学建模,推导陀螺检测系统指标参数与机电特性参数之间数学关系,为可配置ASIC电路提供理论支撑。通过对实测表头数据和理论模型数据进行对比分析,验证了模型的有效性与准确性。 展开更多
关键词 mems 环形谐振陀螺 系统建模 数字可配置
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Nonlinear Performance of MEMS Vibratory Ring Gyroscope
12
作者 Feng Liang Dong-Dong Liang Ying-Jing Qia 《Acta Mechanica Solida Sinica》 SCIE EI CSCD 2021年第1期65-78,共14页
Micro-electro-mechanical system(MEMS)gyroscopes are an important sort of inertial sensor for identifying parameters of spinning structures,such as the spinning speed and angular deviation,based on the Coriolis effect.... Micro-electro-mechanical system(MEMS)gyroscopes are an important sort of inertial sensor for identifying parameters of spinning structures,such as the spinning speed and angular deviation,based on the Coriolis effect.In this paper,the nonlinear mechanism of MEMS vibratory ring gyroscopes is analyzed by applying a fully coupled nonlinear model,in which the gyroscopic coupling and geometrically and structurally nonlinear couplings are all taken into account.The coupled differential equations governing the drive and sense motions are established via the Lagrangian equations.Numerical simulation is conducted,and the key nonlinear components and energy transfer behaviors between the drive and sense modes are elucidated.It is revealed that the cubic rigidity nonlinearity is another significant factor leading to the coupling between the drive and sense modes other than the gyroscopic coupling.Perturbation analysis is also carried out by using the method of multiple scales.The nonlinear frequency-amplitude responses of the drive and sense vibrations are obtained,and comprehensive parametric studies are performed.The significant effects of system damping,excitation amplitude,drive amplitude and spinning speed on the responses are discussed,which will facilitate to improve the nonlinear performance and sensitivity of the gyroscope. 展开更多
关键词 mems vibratory ring gyroscope Nonlinear performance Drive mode Sense mode Method of multiple scales
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MEMS环形振动陀螺结构设计与仿真分析 被引量:10
13
作者 寇志伟 曹慧亮 +3 位作者 刘俊 冯恒振 任建军 连树仁 《微纳电子技术》 北大核心 2017年第7期479-484,491,共7页
针对轴对称壳形振动陀螺的工作机理与振动特性,提出了一种新颖的全对称U型梁MEMS环形波动陀螺,并分析了其工作原理、振动特性与敏感工作方式。在此基础上应用ANSYS有限元分析软件建立了该环形振动陀螺谐振结构的有限元模型,分别进行了... 针对轴对称壳形振动陀螺的工作机理与振动特性,提出了一种新颖的全对称U型梁MEMS环形波动陀螺,并分析了其工作原理、振动特性与敏感工作方式。在此基础上应用ANSYS有限元分析软件建立了该环形振动陀螺谐振结构的有限元模型,分别进行了模态分析、谐响应分析、瞬态冲击响应分析与静力分析。仿真分析结果显示该环形陀螺驱动与敏感模态固有频率的频差为33 Hz,工作模态的频率匹配性较好;工作模态与其他振动模态的最小频差为1 032 Hz,能够有效抵抗环境振动的干扰;谐振结构在10 000g的瞬态冲击作用下最大应力为39.5 MPa,可以正常稳定工作。 展开更多
关键词 微电子机械系统(mems) 环形振动陀螺 振动特性 有限元分析 工作模态 模态分析
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高端MEMS固体波动陀螺的发展与应用 被引量:8
14
作者 权海洋 杨栓虎 +1 位作者 陈效真 王浩 《导航与控制》 2017年第6期74-82,73,共10页
总结了固体波动陀螺的发展历程,分析了从固体波动陀螺到MEMS陀螺的演化过程。通过对MEMS谐振环陀螺的演化与研制历程进行分析,预测未来高端MEMS陀螺发展方向,推动我国高端MEMS环形固体波动陀螺的研究与应用。
关键词 mems谐振环陀螺 固体波动陀螺 谐振盘DRG陀螺
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电容式环形微机电振动陀螺的设计 被引量:4
15
作者 寇志伟 曹慧亮 +2 位作者 石云波 张英杰 刘俊 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第4期842-848,共7页
针对环形振动陀螺结构对称、模态特性参数相同与抗干扰特性好的特点,提出了一种新型的电容式环形微机电振动陀螺。设计了S形弹性支撑梁形式的硅基环形振动陀螺敏感结构,并仿真分析了陀螺的工作模态与幅频响应特性。根据环形振动陀螺的... 针对环形振动陀螺结构对称、模态特性参数相同与抗干扰特性好的特点,提出了一种新型的电容式环形微机电振动陀螺。设计了S形弹性支撑梁形式的硅基环形振动陀螺敏感结构,并仿真分析了陀螺的工作模态与幅频响应特性。根据环形振动陀螺的动力学特性,研究了陀螺的机电接口形式与硅基电极的设置方法,建立了硅基电极的电学参数模型与陀螺的角速度敏感模型。基于深离子刻蚀技术设计了简单可行的传感器制备流程,并成功制备了陀螺的敏感结构。实验测试结果显示,该环形微机电振动陀螺驱动与检测模态的谐振频率分别为9 028.86Hz与9 036.15Hz,品质因数分别为25 051与25 026,标度因数为0.589 7mV/((°)·s^(-1))。实验结果验证了陀螺设计与研究方法的正确性,为高性能硅基微机电陀螺的研制提供了一种可行的方案。 展开更多
关键词 微机电系统 环形微机电陀螺 敏感结构 电容电极 加工工艺
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硅基MEMS环形波动陀螺谐振结构的研制 被引量:1
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作者 寇志伟 刘俊 +2 位作者 曹慧亮 石云波 张英杰 《微纳电子技术》 北大核心 2018年第3期178-182,218,共6页
根据固体波动陀螺的工作机理与振动特性,提出并制作了一种新颖的电容式全对称硅基MEMS环形波动陀螺谐振结构。设计了全对称双U形弹性梁环形敏感结构并进行了动力学分析。分析结果表明其工作模态的谐振频率为10.193 0与10.198 0 kHz,频... 根据固体波动陀螺的工作机理与振动特性,提出并制作了一种新颖的电容式全对称硅基MEMS环形波动陀螺谐振结构。设计了全对称双U形弹性梁环形敏感结构并进行了动力学分析。分析结果表明其工作模态的谐振频率为10.193 0与10.198 0 kHz,频率差为5 Hz,表明该敏感结构在结构设计上具有高灵敏度。研究了基于深反应离子刻蚀(DRIE)与阳极键合技术的玻璃上硅(SOG)结构加工制造流程,并成功制作了该环形谐振结构。模态响应测试表明该硅基MEMS环形波动陀螺敏感结构的工作模态谐振频率为10.985 0和10.962 5 kHz,与动力学仿真分析结果的相对误差为7.21%,表明该陀螺谐振结构设计合理,加工工艺流程可行。 展开更多
关键词 微电子机械系统(mems) 环形波动陀螺 谐振结构 深反应离子刻蚀(DRIE) 玻璃上硅(SOG)结构
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