一种摆式谐振加速度计的微杠杆结构设计与分析

为提升摆式谐振式加速度计性能,设计了一种将质量块与微杠杆结构一体化的摆式微杠杆结构,实现惯性力的敏感与放大,提升结构的鲁棒性。首先建立了微杠杆结构力学模型,并进行了关键参数计算。其次,根据微杠杆结构放大倍数影响机理,分析了质量块、支撑梁及微杠杆结构尺寸参数对放大倍数的影响;理论分析与有限元仿真结果均表明,支点梁与输出梁的宽度应作为该类微杠杆的关键优化参数。最后,根据上述结论对现有结构尺寸进行优化,优化后的微杠杆放大倍数为15.68,系统放大倍数为12.88,标度因数为70.52 Hz/g,较优化前分别提升了36.94%、36.87%和36.88%,验证了优化方法的有效性。     

新型谐振式微机械陀螺设计与仿真

新型微机械陀螺采用了谐振敏感原理,其具有直接准数字式频率输出、高灵敏度、高线性、自解耦等优点.结构包括内外质量块、支撑梁、折叠梁、两级杠杆放大机构、双端固支音又(DETF),质量块驱动梳齿、质量块反馈检测梳齿、DETF驱动和检测梳齿.采用了两级杠杆放大机构、质量块外置、框架结构等措施来提高陀螺的性能.从仿真结果可以看出,传感器灵敏度为0.309 Hz/(deg·S-1).测量范围为±300deg/s,在测量范围内,线性度为9.4×10-1.驱动方向上DETF的振幅减到外质量块振幅的2.96×10-6倍,说明陀螺具有很好的自解耦功能.     

一种谐振式微加速度计表芯非线性动力学分析及实验

在研制基于静电刚度谐振式微加速度计过程中,发现增大激励电压可以提高输出信噪比,但响应的振动幅度将不稳定,同时谐振频率也将会出现漂移。针对上述问题,建立了静电驱动微机械谐振系统等效行为模型,非线性动力学理论分析结果与实验现象一致,总结出需要从加速度计结构参数优化和减小激励电压两个方面来减小频率漂移和提高分辨率。将结构优化准则应用到制造的微加速度计上,实验结果表明:在5 V敏感电压下,闭环条件下单梁加速度计灵敏度为58 Hz/g,分辨率为3.5 mg。     

高性能氮化铝差分谐振式加速度计的结构设计

提出了一种高性能氮化铝(Al N)差分谐振式加速度计结构。通过引入两级微杠杆来放大质量块的惯性力,提高灵敏度;采用"I"形支撑梁来降低横向灵敏度;利用差频检测方案降低温度共模误差的影响。该加速度计主要由质量块、支撑梁、双级微杠杆和谐振器组成,并通过理论分析和有限元仿真优化了它们的结构参数。模态分析表明两个谐振器的基频大约为373.3 k Hz,与干扰模态的频率差大约为9.4 k Hz,有效地实现了模态隔离。根据灵敏度的仿真结果,Al N差分谐振式加速度计的灵敏度64.6 Hz/g,线性度为0.787%,横向灵敏度为0.0033 Hz/g。热仿真的结果表明单个谐振器的温度灵敏度约为490 Hz/℃,加速度计输出差频的温度灵敏度为–0.83 Hz/℃,证明了差频检测方案可以降低温度共模误差的影响。上述所有仿真结果验证了该加速度计结构设计的可行性。     

硅微机械谐振式陀螺仪

介绍了硅微机械谐振式陀螺仪的工作原理，给出了硅微机械谐振式陀螺仪的动力学方程详尽推导。针对此方程进行仿真研究，对结构设计参数进行了估计。研究表明，硅微机械谐振式陀螺仪是一种很有发展前途的新型陀螺仪。     

力反馈式加速度计动态特性分析及重要参数选择

力反馈式微机械加速度计闭环系统的静电反馈力可以等效成一个与反馈电压成正比的负反馈力和一个与其平方成正比的负刚度,这使得加速度输入不同时,可以等效成不同参数的线性系统.首先,通过系统的等效开环数学模型的分析,提出静电反馈力的负刚度给整个系统带来的影响;然后在保证系统稳定性和其它性能的同时,以满足整个量程内的动态性能指标为目的,提出校正方案以及机械刚度的取值;接着对校验方案以及所选取参数进行了稳定性仿真和动态特性仿真;最后通过不同刚度和校正参数的两个加速度计的对比实验证明:适当提高系统机械刚度并合理选择校正参数能够在几乎不影响系统阈值的情况下提高系统的动态特性和稳定性.     

微梁与基底间的毛细粘附作用

在表面微型机械结构的制造过程中,强的毛细相互作用常常使得组成这些结构的微桥、微梁与基底粘附而导致失效。而在微尺度实验中,微桥与微梁又是微尺度材料常数和性能检测的常用的试件样式,如果实验中加载端与被检测的微尺度试件发生毛细粘附,将直接影响检测数据的准确性。本文应用微悬臂梁试件,讨论微梁与基底间的毛细粘附作用,并通过能量原理计算其粘附力的大小和试件几何尺寸、粘附面距离、粘附液体特性之间的关系。最后应用微散斑干涉,检测粘附平衡态时微桥和微梁的粘附力以及由毛细粘附所导致的弯曲变形,并与理论计算结果进行比较。     

一种高灵敏度石英微机械陀螺敏感器件

针对石英晶体各向异性的特点,设计了一种驱动梁为双"W"截面形状的石英音叉微机械陀螺,通过在驱动梁表面凹槽两端设置深凹槽,有效提高了凹槽侧壁的陡直性,进而提高了驱动梁内部电场的激励效率和陀螺灵敏度。采用有限元仿真的方法,分析了不同截面形状的驱动梁压电激励力的相对大小,优化设计了陀螺芯片结构参数。依据陀螺芯片的结构,设计了合理的工艺方案并在3英寸石英圆片上制作出了三种驱动梁截面形状的陀螺器件,测试结果表明,相对于矩形驱动梁截面的陀螺芯片,双"W"形驱动梁截面的陀螺芯片的灵敏度提高约60%。     

机械臂臂杆刚度主动控制下的末端振动特性研究

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.      

硅微谐振加速度计的模态分析与实验

针对硅微谐振加速度计在进行结构设计时,如何根据模态特性选取工作模态这一问题,比较分析了加速度计工作在两种不同振动模态下的性能参数。首先采用刚度法分析了谐振器的振动特性,得出能够反映谐振器振动状态的两种模态即同相振动模态和反相振动模态,结合理论推导和仿真结果得出两种振动模态下谐振频率差值与标度因数差值呈线性关系;其次通过分析两种振动模态下的能量分布情况,得出两种振动模态下谐振器的品质因数与振梁振动幅值之间的关系,同相模态振动一个周期所消耗能量约为反相模态所消耗能量的2倍;最后通过评估硅微谐振加速度计的噪声,阐明了两种振动模态下部分噪声分量不同的原因并进行了实验验证。实验结果表明,在相同驱动电压下,同相模态相比反相模态总体噪声增大25.7%。该研究为设计硅微谐振式加速度计时,确定谐振器的振动模态及驱动方案提供了参考依据。     

基于MEMS加速度计的无陀螺惯导系统

由于MEMS陀螺精度低、漂移大,使得MEMS陀螺和加速度计构成的微惯性导航系统(Micro-INS)的精度很低,导航定位误差发散很快,不能满足载体进行导航定位定姿的要求.而相对MEMS陀螺,MEMS加速度计精度较高,据此提出用MEMS加速度计来构成的无陀螺微惯性导航系统(Gyro FreeMicroInertial N...     

基于MEMS的光电导航测距系统研究

提出一种用MEMS（微机电系统）惯性元器件（微机械陀螺和加速度计）代替传统的惯性元器件组成惯性辅助导航系统这种新方法，提供给EOANS（光电测距系统）所需要的导航参数，用于进一步的测距计算。由于MEMS系统本身的结构特点，这种新的测距系统体积小、造价低，能够广泛应用于制导等领域。文中最后还给出了仿真试验的数据，结果表明该方法能保证整个测距系统的可行性。     

基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状

根据美国 DARPA(the Defense Advanced Research Projects Agency)资助项目的概况,介绍了微电子机械系统(MEMS)惯性传感器领域的新进展,对 DARPA 的特别项目 MEMS-INS(Inertial Navigation System)的进展状况进行了说明。详细描述了惯性技术、导航技术领域内前沿研究机构研究 MEMS INS 的路线,总结了微型导航技术系统算法的研究现状。最后,对 MEMSINS 的发展进行展望,指出 MEMS INS 的发展方向。过去的发展趋势表明:微型惯性技术将向芯片级的超小型 MEMS IMU(Inertial Measurement Unit)和 MEMS INS 以及组合导航的发展方向。     

微机械IMU数据建模与滤波方法研究

针对轮式移动机器人内部的微机械（MEMS）IMU进行研究，采用时间序列分析方法建立其随机噪声的ARMA模型，进而通过Kalman滤波有效地降低MEMSIMU随机噪声对其精度的影响，频域分析结果表明文中建模和滤波方法对提高MEMSIMU精度的有效性。     

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MEMS惯性技术的鞋式个人导航系统

研究了低精度鞋式个人惯性导航系统的导航修正算法.该系统由低精度MEMS惯性IMU单元组成,固联在步行者的鞋上.导航算法在传统捷联惯性导航算法基础上,引入了零速修正技术,根据人行走时脚部运动的加速度统计特性,设计了一种比力模值+滑动方差检测算法,用以检测行走过程中的静止时间段.然后通过设计的改良卡尔曼滤波器在静止时间段内滤波估计导航姿态、速度和位置的计算误差,通过反馈校正可以提高原系统的导航精度.最后通过两组MEMS实物实验验证了导航修正算法的有效性和可行性,并指出了进一步的研究方向.     

车载紧耦合MIMUs/GPS的神经网络辅助强跟踪滤波方法

微惯性测量单元由三轴正交的微机械陀螺、加速度计和微型地磁传感器组成.将上述装置与GPS接收机组合,可构成最佳导航定位模型,其中紧耦合MIMUs/GPS对全导航参数(位置、速度及姿态)的测量精度可大幅提高.由于微惯性传感器具有大漂移特性,为获得具有自适应的线性参数模型,提出了融合滤波的信息处理方法,利用强跟踪滤波实现状态预测,二阶EKF实现测量更新,并借用神经网络技术完成对状态预测的修正.由于系统组件具有非线性,该神经网络辅助的强跟踪滤波方法旨在逼近MIMUs/GPS的真实特性,并为车载用户提供更为精准的导航参数信息.动态环境下的仿真试验表明,尽管MEMS惯性传感器的精度有限,所提出的方法能够有效用于实际的导航参数解算.     

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。     

基于磁/惯性传感器旋转弹体定姿的Kalman滤波器设计

微惯性传感器精度较低,其漂移会引起很大的姿态误差,不能提供长时间稳定姿态;磁传感器组合的姿态角误差不随时间累积但姿态角更新速度慢。针对这一问题提出了利用磁/惯性传感器构建低成本姿态探测系统的方案,设计了Kalman滤波器融合二者信息——以磁传感器解算的姿态角和等效旋转矢量法解算的姿态角之差作为观测量,以惯性传感器的漂移和姿态误差角作为状态变量,整个解算过程无需使用地磁场强度。仿真结果表明了该算法的有效性,二者组合定姿可实现高精度的姿态测量。     

提高载体驱动硅微陀螺灵敏度的方法

载体驱动硅微陀螺是一种利用体微工艺制备的新型电容式振动MEMS陀螺,它安装于旋转飞行器上,利用载体的自旋作为驱动。当载体发生横向转动时,敏感质量受到周期性科氏力的作用,产生振动,从而敏感输入角速度。针对该种MEMS陀螺,首先介绍了陀螺的工作原理和电容式检测结构,然后详细分析了差分电容与敏感质量偏转角之间的关系,最后提出了一种通过调节电容拾取电路的脉冲信号的占空比,来提高陀螺灵敏度的方法。实验测试结果表明,当占空比由50%调整到75%时,相应输出电压峰峰值可由10.7 V提高到13.1 V,提高幅度达22.43%。理论分析和实验结果均表明,该方法可简便有效地提高陀螺灵敏度,具有实际应用价值。