基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计

针对声矢量传感器姿态变化难以准确测量导致目标测向精度低的现状,设计一种微型MEMS姿态传感器,并将其封装在声矢量传感器内部,实现基于MEMS姿态传感器的声矢量传感器设计。首先根据声矢量传感器姿态测量与校正原理,采用四元数姿态解算方法及扩展卡尔曼滤波器设计MEMS姿态传感器,并对其进行姿态精度测试;然后基于MEMS姿态传感器进行声矢量传感器样机设计、制作、参数测试;最后对样机进行了海上实验,结果表明,通过姿态校正后声矢量传感器目标方位估计精度与GPS推算方位精度一致,验证了利用MEMS姿态传感器设计声矢量传感器的可行性。     

Sensitivity analysis of pull-in voltage for RF MEMS switch based on modified couple stress theory

An approximate analytical model for calculating the pull-in voltage of a stepped cantilever-type radio frequency(RF) micro electro-mechanical system(MEMS) switch is developed based on the Euler-Bernoulli beam and a modified couple stress theory, and is validated by comparison with the finite element results. The sensitivity functions of the pull-in voltage to the designed parameters are derived based on the proposed model. The sensitivity investigation shows that the pull-in voltage sensitivities increase/decrease nonlinearly with the increases in the designed parameters. For the stepped cantilever beam, there exists a nonzero optimal dimensionless length ratio, where the pull-in voltage is insensitive. The optimal value of the dimensionless length ratio only depends on the dimensionless width ratio, and can be obtained by solving a nonlinear equation. The determination of the designed parameters is discussed, and some recommendations are made for the RF MEMS switch optimization.     

对称单质量微机电陀螺的零偏自补偿方法

针对微机电陀螺的零偏易受环境因素如温度的影响而发生漂移的问题,提出了一种适用于全对称单质量陀螺的零偏自补偿方法,该方法以两种基本单轴工作模式为基础,将两种工作模式下的检测信号进行差分即可实现零偏自补偿。建立了陀螺的动力学模型,对于结构完全对称的单质量陀螺,得出了两种基本工作模式对应的标度因数互为相反数、温度变化引起的零偏变化量一致的结论,并通过实验得到了验证。零偏自补偿方法实现了标度因数叠加、零偏变化量抵消的效果。设计了一种基于FPGA的零偏自补偿数字电路,并进行了零偏试验。零偏温度试验结果表明,在25℃~70℃的温度范围内,两种基本工作模式对应的零偏输出随温度变化的趋势一致,零偏自补偿后的零偏变化量降为了基本工作模式的24%;常温零偏试验结果表明,零偏自补偿后的陀螺零偏稳定性和零偏不稳定性分别抑制到了基本单轴工作模式的18%和31.85%,验证了该零偏自补偿方法的有效性。     

高量程MEMS加速度计的热应力仿真与可靠性评估

硅压敏电阻阻值漂移过大导致输出失效是高量程MEMS加速度计在恶劣温度环境下工作的主要失效模式之一。通过模拟仿真加速度计悬臂梁、芯片结构和封装后整体模型的热应力分布情况,确定了压敏电阻所在结构梁区域是最容易失效的位置,且最大热应力分布在芯片梁与质量块倒角处,其值约为107 N/m2;通过设计的高温加速恒定应力试验验证了加速度计的温度敏感特性,根据试验数据的特征采用三种可靠度评估方法定量外推出高量程MEMS加速度计在规定应力条件下的可靠度指标。研究结果表明,加速性能退化试验和基于退化量的可靠性评估方法适用于高量程MEMS加速度计在温度环境中的可靠性研究,能够利用有限的试验数据获得可信度较高的评估结果。     

拟弧长延拓法在静电激励MEMS吸合特性研究中的应用

在静电激励微机电系统MEMS(micro-electro-mechanical systems)吸合特性研究中,基于应变梯度理论的微梁结构的控制方程是非线性高阶微分方程,给方程的求解带来了困难.由于该问题的数学模型本质上是分叉问题,方程的解支上出现奇异点,而运用局部延拓法无法通过奇异点.因此,通过运用广义微分求积法将控制方程降阶离散,结合拟弧长延拓法使迭代顺利通过奇异点,求出了整个解曲线.结果表明,拟弧长延拓法能有效并准确地求解具有分叉现象的高阶微分方程问题,为精确预测静电激励MEMS的吸合电压提供有力帮助.     

一种改进的MEMS陀螺信号去噪方法研究

 从工程实用的角度出发,探讨了MEMS陀螺仪随机漂移误差的有效补偿方法。根据小波阈值去噪原理,结合多项式函数插值法提出了一种MEMS陀螺仪输出信号的有效去噪补偿方法,克服了传统软、硬阈值去噪方法的缺陷,通过对MEMS陀螺数据分析研究,验证了该方法对于MEMS陀螺输出信号滤波消噪的优越性。     

翘翘板摆式MEMS加速度计振动整流误差

MEMS加速度计凭借其体积小、成本低、可靠性高及可批量生产等优势,已经在战术级精度的武器领域得到了广泛应用。但是,在振动环境下的输出误差(振动整流误差)成为其向导航级精度发展的主要指标瓶颈。为了减小MEMS加速度计的振动整流误差,对传感器芯片结构不对称性和电路零位误差引起的力矩器结构非线性进行了理论分析,然后按照振动法测非线性的方式对上述误差源引起的系统级误差模型进行了仿真试验验证,确定了各误差源与加速度计非线性系数间的影响关系。最后,对主要误差源(电路零位)优化前后的MEMS加速度计振动整流误差和非线性系数进行了测试对比,结果表明:优化后,在50~1500 Hz频率范围内MEMS加速度计二阶非线性的最大值可由1E-4g/g~2降至5E-6g/g~2。     

用于MEMS陀螺阵列信号处理的OBE平滑算法（英文）

为提高MEMS陀螺的精度,提出了一种基于最优定界椭球(OBE)的平滑算法,并将其用于陀螺阵列信号的处理。首先,利用多个相同型号的MEMS陀螺构成阵列,测量同一角速率信号,并建立数据融合模型。对于融合问题而言,噪声统计特性的不确定会导致传统融合方法精度下降。为解决该问题,引入仅要求噪声未知但有界的集员估计理论,结合RTS平滑思想,提出一种新的平滑算法作为融合方法,它由前向滤波和反向平滑两个过程构成:前者采用集员估计理论中的OBE滤波估计角速率,后者则逆序执行OBE算法进一步提高估计精度。实验表明:该方法能够将陀螺的静态漂移由0.5130(°)/s降低到0.1368(°)/s;动态条件下,在有效跟踪载体角度变化的同时,将漂移由0.5343(°)/s降低到0.1704(°)/s,显著提高了陀螺的使用精度。     

MEMS惯性器件敏感电容结构相关温度漂移特性仿真

基于MEMS器件的微型惯导系统的精度和MEMS惯性器件的全温稳定性具有很高的相关性.MEMS结构相关的温度漂移主要来自材料之间的热失配应力,工艺引入的应力,以及封装应力等.而相关应力在MEMS结构中的分布以及所造成的应变又和MEMS结构具有一定相关性.通过ANSYS有限元分析软件建立了多种MEMS惯性器件常用梁-质量块结构的FEM模型,具体包括悬臂梁结构、双端固支梁结构、L形梁结构、对角支撑梁结构.通过热-力耦合仿真,研究了热失配应力在上述结构中的分布以及所产生的结构变形.对比分析了不同芯片粘胶形式,包括中心粘胶、三点粘胶、整片粘胶对上述MEMS结构引入的封装应力以及其全温(-40℃～60℃)温度漂移特性.此外,还分析研究了不同衬底厚度对MEMS结构封装应力的隔离效果.     

基于强跟踪滤波的旋转捷联惯导初始对准方法

旋转捷联惯性导航系统在传统系统结构上进行了改进,陀螺和加速度计安装于转动基座上,通过捷联算法中的积分运算消除陀螺仪和加速度计中的非随机性误差。针对该导航系统的结构特点,研究了一种基于强跟踪滤波算法的快速估计平台误差角的初始对准方法,推导了系统的误差数学模型,论述了强跟踪滤波基本方法及初始对准状态方程与观测方程,进行了数字仿真验证。基于某型光纤陀螺和MEMS加速度计,通过在高精度转台上的旋转实验进一步进行了基于实际系统的算法性能验证。结果表明,对于中低精度的光纤陀螺旋转捷联惯性导航系统,所提出的对准方法具有较高的对准性能,具有工程应用价值。