微小型惯性仪表发展现状、趋势以及对行业的影响

惯性仪表（包括陀螺和加速度计）是惯性技术的基础和核心,近年来,以高精度硅微机电陀螺、集成化微光纤陀螺、速率积分半球谐振陀螺、谐振式加速度计为代表的新型惯性仪表技术发展迅猛,相比传统惯性仪表,能够兼顾高精度和低SWa P+C(Size Weight and Power, plus Cost,体积、重量、功耗和成本)指标,正推动惯性技术产生新变革。重点结合上述四种微小型惯性仪表,论述其国外最新进展,展望发展趋势,预测其对行业的影响,旨在为国内相关技术研究提供参考。     

静电悬浮式惯性仪表中的微位移检测技术

静电陀螺仪、空间静电加速度计等基于静电悬浮的惯性仪表在高精度的惯性导航和空间微重力测量领域得到广泛应用。近年来，对基于MEMS工艺的悬浮式微惯性传感器的研究引起了广泛的重视。介绍了静电悬浮式惯性仪表中采用的差动电容式微位移检测电路的原理，分别对静电陀螺、静电加速度计和MEMS微陀螺、微加速度计的电极配置方案和位移检测的接口电路进行了分析，并对不同的位移检测方案进行了比较.     

高精度硅微谐振加速度计工程化设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。工程化设计是硅微谐振加速度计从原理样机向成熟产品转化过程中的关键步骤之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从工程实用化设计角度出发,提出了一种高精度硅微谐振加速度计工程化设计方法。分别从系统设计、结构设计、控制电路设计和测试与补偿技术等方面进行了分析和对比,讨论了误差来源与改进方法。测试表明,设计的高精度硅微谐振加速度计质量块基频大于3 k Hz,谐振音叉中心频率约18 k Hz,标度因数大于100 Hz/g,量程±40 g,死区小于0.67 mg,带宽大于200 Hz,振动整流误差0.344 mg,零位一次通电稳定性优于50μg,测试结果基本满足工程化应用指标。     

硅微结构惯性传感器的研制现状及应用前景

本文从介绍硅微结构惯性传感器的研制背景入手，分析了微米／纳米技术近年来的进展对发展硅微传感器的推动作用，重点介绍了美国主要公司有关硅微结构惯性仪表的研制现状，最后结合市场预测，提出笔者对我国发展硅微惯性传感器的几点浅见。     

硅微谐振加速度计交流检测信号解耦技术

硅微谐振加速度计以高精度的频率信号输出及潜在的敏感结构与处理电路实现一次集成的优势,成为硅微传感器研制的热点之一。针对交流检测信号耦合效应对硅微谐振加速度计性能的重要影响,在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构和电路两方面研究了交流检测信号耦合效应的来源,分析了耦合效应对检测电路和闭环控制精度的影响。采用双质量块结构方案和电路优化设计所研制的硅微谐振加速度计,基频为15 kHz,标度因数为36 Hz/g,量程为±30 g。试验证明耦合效应对仪表性能的影响降低到0.3 mg以内。     

硅微谐振加速度计的温度特性

硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一.温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素.在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控制回路方面分析了温度对零位和标度因数的影响因素,同时给出了相应解决措施.研制的硅微谐振加速度计基频约为17 kHz,标度因数约220 Hz/g,在-40~+70℃范围内,谐振频率的温度系数为-71.5×10-6/℃,标度因数的温度系数为-610×10-6/℃,样机在常温下谐振频率的相对稳定性为0.313×10-6,1.5 h 零偏稳定性达到42.5μg.     

基于FPGA的高精度硅微谐振加速度计数据采集与参数补偿系统设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。频率信号的高精度采集和系统参数补偿是提高硅微谐振加速度计性能的重要手段之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从双路差动频率信号的精确采集和系统误差参数补偿角度出发,分析了数据采集的原理,提出了一种高精度硅微谐振加速度计用数据采集与参数补偿方法。给出了设计思路和电路实现方法,讨论了误差来源与改进方法。所设计的数据采集系统针对中心频率18 k Hz.,标度因数400 Hz/g,量程±20g的加速度计,数据更新周期200 ms下频率分辨率为0.0005 Hz,等效加速度分辨率达到1.25μg。测试表明,补偿后的硅微谐振加速度计,在全温(-40~+70℃)内,K0温度系数从262μg/℃降低到29.9μg/℃,K1变化量从4.18%降低到2.04‰,全量程非线性从7.16‰降低到0.128‰,系统参数满足设计指标。     

膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

针对"FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁"结构悬臂梁厚度不足、"嵌入式FBAR"结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型"膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)"结构的微加速度计。其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性。对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性。通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度。进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数k Hz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性。     

硅微谐振加速度计高精度相位闭环控制系统设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。高精度相位闭环控制系统是决定硅微谐振加速度计精度水平的重要因素。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从闭环控制系统设计的角度,分析了相位闭环控制回路的原理,提出了一种可以消除匀加速误差的高精度三阶无静差相位闭环控制方案。给出了设计思路,研究了环路性能测试方法,讨论了闭环系统相位误差的来源与抑制方法。所设计的闭环回路在0.1 Hz处静态增益为170 dB,启动时间小于20 ms,实测带宽为432 Hz,全温范围内相位闭环回路相差变化0.84°,系统参数满足设计指标。     

微硅加速度计的超精细加工

本文讨论了各向异性腐蚀的机理；硅的各向异性腐蚀设计；双面光刻等与微硅加速度计有关的超精细加工问题。     

基于微机械惯性传感器的卫星电视天线稳定系统

介绍了一套基于微机械惯性传感器测量的卫星电视接收天线稳定系统的组成、工作原理及技术要求，讨论了系统的几项关切技术，包括：微机械惯性姿态测量模块，步进电动机闭环伺服控制以及场强自动跟踪技术。计算仿真和样机实验的结果表明：系统达到了预期的技术指标，已能够满足舰船上的应用要求。由于微机械测量器件的采用，系统具有体积小、成本低、性能可靠的优点。     

微机械框架陀螺仪的动力学分析

本文根据欧拉动力学方程导出微机械框架陀螺仪的动力学方程，给出陀螺仪的运动规律，并探讨惯性质量对测量灵敏度的影响。     

角加速度计发展综述

介绍了国内外各种角加速度计的结构及工作原理,阐述了角加速度计在国内外的研究现状,通过分析角加速度计的发展趋势,结合现有角加速度计的特点及不足,文中还提出了一种新型的微流体惯性质量角加速度计。微流体角加速度计只敏感输入轴上的角加速度,对外界输入的线加速度或振动能够较好地隔离。     

微静电陀螺仪再平衡回路设计

微静电陀螺仪依靠可控的静电力,将高速旋转的陀螺转子稳定地悬浮在高真空的电极腔中心,是一种能实现两自由度角速率测量的新型微机电陀螺。针对大角度、高角速率的捷联式惯性导航系统应用,对陀螺仪再平衡回路进行了设计。讨论了陀螺仪的动力学特性,给出了补偿负刚度特性的方法,采用双频波特图对系统稳定性进行了分析,给出了再平衡回路的性能仿真结果。仿真与分析表明,陀螺仪允许的最大输入角速度为768(°)/s,标度系数为6.44mV/((°)·s-1)。     

微电子技术在石英微机械振动陀螺中的应用

叙述了采用微电子技术加工石英微机械振动陀螺振子的原理和基本过程,介绍了陀螺振子加工的研究结果和石英微机械陀螺的最新研究进展。     

基于MEMS技术的微型流量传感器的研究进展

流量测量是工业生产和科研工作的重要的检测参数.近年来,随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研究和取得的进展,传统的工业和流体力学研究的流量传感器向高集成度,微型化,高精度,高可靠性方向发展,同时生命科学的发展大大促进了用于微流体,生物学、医学、卫生、食物等学科研究新型微型流量传感器的研究开发, 微型流量传感器已成为MEMS的重要研究方向.本文对基于MEMS技术的流量传感器技术的原理、分类作了简要介绍,归纳和评述了各种基于MEMS技术的流量传感器(热式型,差压型,升力型,流体振动型, 科里奥利型及仿生型微型流量传感器等)的生产工艺和应用特点,并对基于MEMS技术的微型流量传感器的校正方法做了总结归纳.介绍了国内在微型流量传感器方面的研制工作.最后总结归纳出基于MEMS技术的流量传感器发展不同阶段并阐述了各个阶段的发展特点,并对基于MEMS技术的流量传感器新的发展趋势进行了展望.      

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,随后对已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.      

双输入轴微机械陀螺仪的研究与进展

微机械陀螺仪是微机电系统（MEMS）研究的重要内容。双输入轴微机械陀螺仪可最大限度地发挥微结构的固有功能并实现最低成本。本综合了国内外在这方面的主要研究报道，概述各自的结构、工艺、测试和性能特点，以展示双输入轴微机械陀螺仪的发展历史与研究现状。     

建立惯性仪表安装误差数学模型的理论研究

安装误差对系统精度有较大的影响,对捷联惯性系统的影响尤为突出,为此从仿射坐标系的坐标变换理论入手,分析并推导了建立惯性仪表安装误差数学模型的坐标变换矩阵公式,为惯性仪表安装误差数学模型的建立、测试及在惯性导航系统中的补偿提供了理论依据。