静电悬浮转子微陀螺及其关键技术

静电悬浮转子微陀螺具有比振动式微陀螺精度高的潜在优点，并可同时测量二轴角速度和三轴线加速度。介绍了静电悬浮转子微陀螺的研究现状。对该静电悬浮转子微F1螺／加速度计的工作原理、特点进行了分析，并对实现高精度静电悬浮转子微陀螺／加速度计晌关键技术如静电稳定悬浮、微位移检测控制、静电恒速旋转驱动、微机械加工和真空封装技术等进行了探讨。指出这一新颖MEMS陀螺是高精度多轴集成微惯性传感器技术发展的一个重要方向，具有广阔的应用前号和较大的发展潜力。     

六轴硅微静电加速度计的悬浮回路设计

传统的静电加速度计在空间微弱加速度测量方面可以获得极高的分辨率。提出了一种采用静电悬浮、可实现六轴加速度测量的微静电加速度计。敏感组合件采用玻璃-硅-玻璃三层键合结构、体硅加工工艺;检测质量采用"回"字形结构,以提高加速度计的径向量程和刚度。利用有限元软件分析了大气环境下检验质量的气模阻尼特性,对六自由度静电悬浮回路进行了建模与分析,提出了实现六轴加速度检测的控制方案。给出了静电悬浮回路的仿真结果,评估了六轴加速度计的性能。     

静电伺服微加速度计的量程设计

详细推导了静电伺服加速度计在定极板上施加直流偏压、交流驱动电压，动极板上有反馈直流电压和交流检测电压的情况下，检测质量(动极板)受到的静电力。通过对静电力的分析，得出静电伺服彻。速度计的量程除了受系统能提供的最大静电力限制外，还需满足电刚度小于与机械刚度的条件，该电刚度是极板上所有的直流电压、交流电压产生的电刚度之和。离心实验证明，利用该原则设计的“叉指”结构静电伺服微加速度计的量程达到了设计值。该设计原则可以为此类加速度计的设计提供参考。     

三轴硅微静电加速度计的实验研究

静电加速度计依靠可控静电力将敏感质量无接触地悬浮在电极腔内,在空间微重力环境下通过降低带宽和量程可以实现极高的分辨率.设计了一种采用玻璃硅-玻璃“三明治”结构、环形敏感质量、体硅加工工艺的三轴硅微静电加速度计,对加速度计的力/力矩平衡回路进行了分析.采用基于DSP的数字控制器,实现了环形敏感质量的五自由度稳定悬浮,在大...     

静电支承球形转子的恒速控制

本讨论静电支承球形转子的恒速控制问题。首先,介绍静电支承系统的基本工作原理,其次,建立静电支承系统的动力学模型。第三,分析采用PID控制器的支承刚度,第四,阐述形成静电旋转力矩的原理。最后,提出利用静电力恒速的方案与基本限制条件。     

三明治结构微机械静电伺服加速度计稳定性研究

对影响微加速度计稳定性的主要因素（外置偏压和横向加速度干扰）进行了详细分析，给出了最小临界偏压和最大可随横向加速度的计算公式，提出一种具有良好稳定性的四梁中心悬臂式结构。根据Matlab仿真结果，在大量程微加速度计典型结构参数下，惯性敏感单元可承受的最大横向加速度达2000g以上，远远满足实际需求。     

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。     

参数激励下静电驱动微机电系统动力特性研究

充分考虑压膜阻尼效应的影响,提出参数激励下时变电容式静电驱动微机电系统的动力学模型,采用谐波平衡法分析在参数激励和强迫激励耦合作用下系统的幅频响应特性,探讨不同控制电压和频率比对系统幅频响应的影响,分别以交流电压幅值、频率比和压膜阻尼比为控制参数研究系统的非线性动力特性,结果表明,微尺度下静电驱动微机电系统在参数激励作用下存在较为丰富的分岔与混沌行为,压膜阻尼效应对系统动力特性的影响不可忽视.      

微机械静电伺服加速度计

本文详细介绍了微机械静电伺服加速度计的系统工作原理、结构和线路设计特点 ,并对其封装样品作了简要的叙述。给出了用于± 4g,线性度小于 2 % ,分辨率低于 5× 1 0 - 3g的微加速度计实验结果。     

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.     

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)。     

静电悬浮转子微陀螺微位移数字化电容检测通道设计

微位移检测是实现静电悬浮转子微陀螺闭环起支和稳定悬浮控制的重要前提。针对微陀螺轴向起支和悬浮的检测要求、特点及主要技术指标,设计了完整的电容式微位移检测通道。该通道主要由前置C/V转换、差动放大、四阶压控电压源有源带通滤波、相敏解调、四阶Butterworth低通滤波和16位A/D转换等环节组成,具有激励带宽大、检测精度高及数字化输出等特点。试验表明,检测通道的灵敏度为1.4V/pF,线性度为2.11%,微位移检测分辨力优于10nm,能够满足微陀螺轴向起支和稳定悬浮的检测要求。     

静电悬浮加速度计反馈引起闭环点漂移机理及抑制方法

静电悬浮加速度计的检测质量闭环点位置偏离电极框中心时会造成系统非线性误差,调整检测电路输出电压可调整检测质量闭环点,而在调整过程中发现反馈电压变化会引起电容检测电路输出电压漂移,从而影响闭环点调节精度。为解决此问题,研究了闭环点位置与检测电路输出电压变化的关系,推导了检测电路传递函数,初步确定了反馈电压对检测电路输出电压影响的原因是隔直电容选取不恰当,通过实验对比了材料为C0G、Y5P、X7R及SL的多层陶瓷电容作为隔直电容时输出电压与反馈电压关系。实验结果表明:采用低温漂、耐高压和受频率影响小的C0G电容作为隔直电容能够消除反馈对检测电路引起的输出电压漂移,从而消除调节闭环点过程中闭环点位置的漂移,并且能提高检测电路稳定性。     

导弹竖直过程中加速度计的自标定方法

结合系统的实际应用,提出了一种导弹竖直过程中加速度计自标定方法。该方法让其在竖直过程中停留任意六个或六个以上的位置,利用地球重力加速度矢量建立三轴加速度计输出方程,并采用数学方法将此非线性方程线性化,变成了微处理器容易求解的形式。联立六位置过程中的加速度计输出方程,解算出加速度计的零位和标度因数,然后实施补偿。该方法不需要大理石平板,不需知道载体姿态,标定费时少,可以有效提高加速度计的使用精度,具有一定的工程应用价值。     

静电悬浮转子微陀螺再平衡回路设计

给出了一种基于MEMS技术的静电悬浮转子微陀螺,可同时测量两轴角速度和三轴线加速度,采用力平衡原理测量壳体输入的角速度,即对转子实行闭环控制使转子保持在零位,输出控制电压反映壳体输入角速度的大小。在分析转子所受力矩的基础上,建立了转子的力矩平衡方程。当陀螺工作在理想状态下,提出了两种再平衡回路设计,即只采用校正环节和采用解耦网络的自平衡回路设计。通过系统仿真表明了采用解耦网络设计的再平衡回路的优越性。当壳体输入阶跃角速度时,解耦控制具有响应速度快、超调小、动态性能好等优点。最后给出了采用积分电路和加法运算电路实现解耦控制的电路实现方案。     

静电悬浮微陀螺的压膜阻尼特性

空气阻尼对静电微陀螺系统的动态特性起着重要的影响。根据流体力学,构建了描述微陀螺内部气体压膜阻尼特性的线性Reynolds方程。将微陀螺内部气膜分成了13个分区,推导了转子在轴向振动、径向振动、径向摆动时的压膜阻尼系数。根据微陀螺的结构参数进行仿真,结果表明:轴向压膜阻尼系数对微陀螺支承系统的动态特性影响最大,而压膜阻尼系数与气体的温度,压强呈线性关系,与振动幅值呈抛物线型关系;在低频段系统呈现阻尼力,而到高频段,系统呈现弹性力。利用Simulink进行了微陀螺的系统建模,得出压膜阻尼系数Cz对PID参数的选取,尤其是Kd参数,起着重要作用,同时对系统的稳定性也有一定的影响。     

微机械加速度计失准角的精确测量

在与国家军用标准测试方法对比分析的基础上,由空间解析几何理论建立了微机械加速度计外壳坐标系和敏感部件坐标系的数学模型,提出一种测量失准角的“六位置法”:利用六面体翻滚,测量加速度计在六个不同位置下的输出电压,通过一系列公式运算可以精确测得失准角。实验结果表明:该方法在失准角为1度的情况下,标度因数准确性可提高3.046×10~(-4),失准角准确性提高2.539×10~(-4),从而表明了计算方法的可行性和实际应用价值。目前该方法已经应用于实验室成表测试。     

Performance evaluation of accelerometers used for penetration experiments

We present a Hopkinson bar technique to evaluate the performance of accelerometers that measure large amplitude pulses, such as those experienced during projectile penetration tests. An aluminum striker bar impacts a thin Plexiglas or copper disk placed on the impact surface of an aluminum incident bar. The Plexiglas or copper disk pulse shaper produces a nondispersive stress wave that propagates in the aluminum incident bar and eventually interacts with a tungsten disk at the end of the bar. A quartz stress gage is placed between the aluminum bar and tungsten disk, and an accelerometer is mounted to the free end of the tungsten disk. An analytical model shows that the rise time of the incident stress pulse in the aluminum bar is long enough and the tungsten disk length is short enough that the response of the tungsten disk can be accurately approximated as rigid-body motion. We measure stress at the aluminum bar-tungsten disk interface with the quartz gage and we calculate rigid-body acceleration of the tungsten disk from Newton's Second Law and the stress gage data. In addition, we measure strain-time at two locations on the aluminum incident bar to show that the incident strain pulse is nondispersive and we calculate rigid-body acceleration of the tungsten disk from a model that uses this strain-time data. Thus, we can compare accelerations measured with the accelerometer and accelerations calculated with models that use stress gage and strain gage measurements. We show that all three acceleration-time pulses are in very close agreement for acceleration amplitudes to about 20,000 G.