火箭弹MEMS陀螺捷联惯导系统

火箭弹正朝着远程化、精确制导化方向发展,制导装置是其中的核心.该文采用微机电系统(MEMS)陀螺、石英挠性加速度计、高动态GPS接收机、高速导航计算机等硬件及捷联惯性导航和卡尔曼滤波算法,研制了小型捷联惯性/GPS组合导航系统.该组合导航系统具有体积小,精度高,成本低等特点,试验表明该惯导系统可以满足增程火箭弹制导要求.     

基于提升小波的MEMS陀螺去噪方法研究

微机电系统(MEMS)陀螺的随机漂移误差是传感器的主要误差,传统硬、软阈值去噪法在去噪效果和实时性方面存在不足。该文从提升小波变换的基本理论出发,分析了提升小波阈值去噪原理,提出了基于提升小波的改进阈值去噪算法,并结合MEMS陀螺输出数据,并对硬、软阈值去噪法与改进阈值去噪法的仿真实验进行比较分析。仿真结果表明,改进阈值去噪法获得了更高的信噪比83.532 7dB,其去噪效果明显优于硬、软阈值,且运算速度较快,更适合实际运用。     

高过载姿态测量中MEMS陀螺失效模式与研究进展

高过载条件下姿态测量是一个公认的难题,其原因主要是角速度传感器难以经受高过载的冲击。基于微机电系统（MEMS）技术的陀螺作为解决高过载姿态测量问题的核心器件,其抗高过载能力直接制约着惯性导航系统在高过载环境中的应用。首先,介绍了弹药发射和侵彻两种典型高过载环境的特性,概括了在高过载环境中MEMS陀螺的响应类型;其次,总结了高过载条件下MEMS陀螺的失效模式,包括完全失效和功能性失效;然后,介绍了国内外在抗高过载MEMS陀螺方面的研究进展;最后,分别从器件设计和工程应用角度出发,提出了MEMS陀螺抗高过载的设计方法和应用思路。     

微机电系统关键技术及其研究进展

微机电系统(MEMS)是在微电子技术的基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域,集约了当今科学技术发展的许多尖端成果,在汽车电子、航空航天、信息通讯、生物医学、自动控制、国防军工等领域应用前景广阔.该文介绍了微机电系统发展的背景与基础理论研究,综述了微机电系统所涉及的器件设计、制作材料、3大加工工艺(硅微机械加工、精密微机械加工与光刻、电铸和注塑(LIGA)技术)、微封装与测试等关键技术,总结了微机电系统在微纳传感器、微执行器、微机器人、微飞行器、微动力能源系统、微型生物芯片等方面的典型应用,最后指明了MEMS技术的发展趋势,有望在近几十年将大量先进的MEMS器件从实验室推向实用化和产业化.     

BPNN辅助KF的MEMS陀螺仪数据处理方法

针对微机电系统(MEMS)陀螺仪数据误差建模不精确或无法给出模型的情况,提出了误差反馈（BP）神经网络辅助卡尔曼滤波对陀螺仪数据进行降噪处理的方法。分析卡尔曼滤波器的系统噪声方差Q矩阵可知,当模型不精确时可通过Q补偿。基于BP神经网络优化Q值原理,首先把采集到的MEMS陀螺仪数据输入卡尔曼滤波器得到Q;再把新息、滤波增益、量测噪声方差输入神经网络,把Q作为神经网络的输出,神经网络优化系统噪声协方差矩阵得到Q*;最后将Q*作为卡尔曼滤波算法系统噪声方差矩阵。实验结果表明,在建模不精确的情况下该方法也能有效提高陀螺仪的精度。     

MEMS陀螺混合误差标定方法研究

微机电系统(MEMS)陀螺仪具有尺寸小,可靠性强的特点,已广泛应用于各种微姿态仪中,而陀螺的安装误差是影响姿态仪输出精度的主要因素之一。现有的陀螺安装误差模型是建立在确定的刻度因子和零偏基础上,但实际应用中,陀螺的刻度因子存在误差,且零偏随温度和转速发生变化。该文提出了一种改进的误差标定和补偿方法,并针对模型中MEMS的零偏温度和转速非线性误差问题,运用BP神经网络,实现了模型零偏动态补偿。实验表明,采用该文提出的标定方法,陀螺的角速率误差由1.5(°)/s提高至0.05(°)/s。验证了标定方法的可行性。     

一种新的MEMS陀螺温度误差建模与补偿方法

为了减少温度对微机电系统(MEMS)陀螺仪测量精度的影响,改进了一种不需要测量温度的MEMS陀螺温度误差建模与补偿方法。该方法首先通过多项式拟合得到MEMS陀螺全温区零偏与温度的多项式模型,并根据最小二乘法原理确定模型阶数,然后通过分析温度对驱动轴相位的影响,得到驱动轴相位的温度模型,最后得到零偏与驱动轴相位的多项式拟合模型并针对该模型对陀螺零偏进行补偿。实验结果表明,该方法能降低温度造成的陀螺误差,提高MEMS陀螺的使用精度。     

基于插值法的MEMS陀螺温度补偿方法

温度对微机电系统(MEMS)陀螺零偏影响较大,是影响其测量精度的主要因素之一。该文通过温度循环试验,建立了陀螺零偏与温度间的关系。采用多元逐步回归法和温度分段插值法建立了陀螺零偏温度补偿模型。试验结果证明,两种方法均能准确地反映陀螺零偏随温度变化的情况,且温度分段插值法可以消除明显的趋势项。与多元逐步回归法相比,补偿后全温零偏误差的峰峰值由0.025 (°)/s减小到0.015 (°)/s,全温零偏稳定性由32.9 (°)/h提高到14.2 (°)/h。     

单轴MEMS热膨胀流陀螺敏感机理三维有限元分析

该文提出了一种单轴微机电系统(MEMS)热膨胀流陀螺的基本结构,并揭示了其敏感机理。通过有限元法,利用COMSOL Multiphysics建立了陀螺的三维模型,在有无角速度时对陀螺敏感元件的温度场和等温线变化情况进行计算。结果表明,单轴MEMS热膨胀流陀螺具有陀螺效应,输入角速度为[-1 080 (°)/s, 1 080 (°)/s],陀螺的结构灵敏度为0.053 9 K/[(°)·s^-1],非线性度为14.13%。     

基于最小均方和扩展卡尔曼滤波的IMU降噪方法

针对车体振动影响微机电系统惯性测量单元(MEMS IMU)航向精度问题,提出了一种能有效抑制振动噪声从而提升航向精度与稳定性的方法。首先,采用最小均方法对数据进行前端预处理,以提升信噪比;然后,利用加速度计与陀螺仪的互补特性滤除陀螺仪的零偏噪声;最后,采用扩展卡尔曼滤波进一步滤波。总计4h的现场实验结果表明:IMU受载体振动影响较小,航向的精度与稳定性得到提升;其中,在大角度机械运动后的相对航向误差为3.08°,静止时的航向方差为2.44×10-5。     

基于兰姆波压电谐振器的高频低相噪MEMS振荡器仿真研究

发达的现代通信设备对时钟源器件提出了更高的要求,在保障频率信号稳定的同时还需要器件具备可集成、微型化等特点,微机电系统(MEMS)振荡器因其具备这些优势,已逐渐替代传统振荡器,成为电子设备中信号源的常用元器件。该文设计了一种MEMS振荡器并对其进行仿真测试,该振荡器的核心选频器件由Lamb波压电谐振器组成,在应用于振荡电路前,对设计的MEMS谐振器进行了仿真测试,并提出两种优化其寄生模态的方法,所得谐振器的品质因数(Q)为1 357.5,串联谐振频率为70.384 MHz。将优化后谐振器应用于振荡电路后,对振荡器输出信号和相位噪声进行测试,结果表明,MEMS振荡器的输出载波频率为70.58 MHz,相位噪声为-64.299 dBc/Hz@1 Hz及-144.209 dBc/Hz@10 kHz。     

抗过载微陀螺结构的高灵敏设计与仿真

为解决高过载微陀螺难以实现高灵敏检测的问题,设计了一种高灵敏且高过载的微陀螺结构。设计的微陀螺结构驱动模态与检测模态的频率高度匹配,提高了微陀螺的结构灵敏度。该微陀螺采用面内检测方式,驱动与检测模态阻尼类型主要为滑膜阻尼,实现了在大气压环境下微陀螺的高品质因数Q值设计。微陀螺均采用双悬臂梁设计,增加了微陀螺结构的稳定性,进而提高了其抗过载能力。最后通过微陀螺的器件级仿真,得到了所设计陀螺结构在驱动方向过载能力约为100 000g(g=9.8m/s~2),检测方向过载能力约为70 000g的前提下,结构灵敏度为53nm/[(°)/s]。     

石英MEMS陀螺的结构特性分析

介绍了石英微机电系统(MEMS)陀螺的工作原理及敏感芯片的音叉结构特点,采用有限元法分析了敏感芯片的结构特性,并对结构进行优化。利用石英晶体的压电效应,设计了合理的电极布局,并结合敏感芯片结构特点介绍了其微机械加工工艺。通过结构优化和合理的电极布局,提高了石英MEMS陀螺的性能。     

基于压电效应的MEMS振动式微能源器件

设计了一种硅基压电功能材料的四悬臂梁-中心质量块结构MEMS振动式微能源器件,可将环境振动能量有效转化为电能。采用溶胶-凝胶法制备硅基锆钛酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3,PZT)压电功能薄膜,经干/湿法刻蚀和溅射沉积等MEMS工艺实现器件功能结构的制备。研制的器件整体结构尺寸为7 000μm×7 000μm×300μm,单个PZT压电单元面积为0.149 6 mm2。将悬臂梁上4个压电单元串联以实现输出最大化,测试结果表明,器件的谐振频率为300 Hz,适于低频振动环境;输出电压在一定范围内随加速度增加而增大;在加速度为10 g时压电单元单位面积输出电压达1.19 mV/mm2。     

MEMS陀螺仪随机误差的动态辨识

针对经典Allan方差在分析和定量描述微机电系统(MEMS)陀螺仪噪声项时存在的问题,提出将动态Allan方差用于MEMS陀螺仪输出信号分析并加以改进。根据Allan方差的原理,实现误差项系数的动态辨识,得到各类型误差随时间的变化规律。普通最小二乘法求解误差系数时存在个别为负的问题,因此,将非线性最优化的单纯形法用于方差曲线的拟合。实验结果表明,改进后的方法不仅能准确描述数据的噪声量值,还能反映信号的频率稳定性和误差项的变化特征。     

基于神经网络的MEMS陀螺标定与补偿

针对微机电系统(MEMS)陀螺低转速区间上非线性性能很强,采用传统方法对其标定误差较大,满足不了实际应用的问题,因此,采用了一种基于误差反向传播(BP)的神经网络的标定与补偿方法。设计了一组基于优先数的速率点,利用三轴转台进行12组速率实验,用最小二乘法求出在传统数学模型下的待标定系数;将三轴MEMS陀螺的输出和转台的实际转速作为样本,对BP神经网络进行训练,得到神经网络的补偿模型,并对比两种方法的补偿效果。结果表明,传统方法和BP神经网络都对MEMS陀螺的输出进行了有效的补偿;但在低转速区间上,神经网络的补偿效果比传统方法提高了3倍左右。     

电容式MEMS陀螺电极间隙标定方法研究

该文以蝶翼式陀螺为研究对象,研究了电容式微机电系统(MEMS)陀螺电极间隙标定的方法。提出了一种基于谐振测量的电学标定方法,设计了基于调制解调技术的高精度微弱电容检测电路,并可以通过开关控制实现蝶翼式陀螺不同接口电容电极间隙的测量与标定。基于陀螺工作原理建立了电极间隙理论分析模型,推导了电容间隙与输出电压之间的关系,搭建了电极间隙测量与标定平台,测量了多个陀螺不同电极的间隙,并与采用电容-电压(CV)分析仪、台阶仪的测试结果进行了对比。与CV分析仪测试方法相比,该方法可有效地避免寄生电容的影响,在寄生电容未知的情况下可准确测量出有效电极间隙,同时具有更高的分辨率。与台阶仪测试方法相比,该方法可以准确反映实际电极位置的间隙大小。被测陀螺的电极间隙理论设计值为2μm,采用该文提出的方法测试值分布范围为1.92～2.2μm,采用CV分析仪测试结果为2.004μm(寄生电容已知),采用台阶仪平均测试值为2.11μm。     

微机电系统CAD研究及发展现状

随着微机电系统(MEMS)的快速发展,要求MEMS计算机辅助设计(CAD)能对MEMS设计进行快速建模与仿真分析.介绍了MEMS CAD技术的发展背景及特点,详细阐述了现有MEMS CAD的工艺先行、基于标准工艺、Bottom-Up流程、Top-Down流程及支持任意设计流程等工作模式,综述了MEMS CAD所涉及的多能量域耦合分析、宏建模及材料数据库等关键技术,最后总结了MEMS CAD软件的两种设计方法.     

MEMS陀螺的抗野值自适应滤波降噪方法

针对微机电系统(MEMS)陀螺随机漂移较大及量测信息中野值对滤波的不利影响,提出了一种抗野值自适应滤波降噪方法。该方法采用Allan方差信息估计量测噪声方差参数,避免了Kalman滤波器与量测噪声估值器之间的相互关联,能有效抑制滤波发散。在此基础上引入新息抗野值算法,通过修正新息去除野值的不利影响,增强对随机漂移的滤波效果。实测数据试验结果表明,采用该文方法滤波后的MEMS陀螺输出信号均方差及角度随机游走都比滤波前明显降低,验证了提出的滤波方法在MEMS陀螺降噪中的有效性。     

基于复合形法的低g微惯性开关结构优化设计

低g值微惯性开关是一种感受惯性加速度、执行开关机械动作的精密惯性装置,其设计目的包括减小体积、提高抗振性和产品间闭合阈值一致性等综合性能。针对一种基于平面矩形螺旋梁的低g值微惯性开关,在给定条件下以增大螺旋梁厚度为目标进行优化建模,运用复合形法的MATLAB语言程序进行优化设计。结果表明,经优化设计后,管芯"弹簧-质量"结构面积为0.09cm2,与初始设计相比减少了约46.5%,满足应用环境的要求。优化模型梁厚度为36.3μm,比初始设计增大了约21%,验证了优化算法的有效性。与传统设计方法相比,复合形法具有较高的实用性和优化效率。为实现对螺旋梁厚度的精确控制,提出了基于双埋层SOI硅片的管芯"弹簧-质量"结构加工工艺方案,并进行了初步的工艺流片。