基于等效变预载法的静电加速度计闭环零点调节

闭环零点位置对差动电容式静电加速度计性能具有重要影响,闭环零点偏离机械零点会增大标度因子非线性。为精确调节闭环零点,提出了一种等效变预载闭环零点调节方法,能够在预载和反馈电压不对称情况下实现闭环零点位置的精确辨识和调节。利用静电加速度计原理样机测试了闭环零点调节前后的系统非线性特性,实验结果表明采用上述方法进行闭环零点调节后,表征标度因子非线性的二次项系数由-1.7×10-7降低为-3.3×10-8,验证了上述方法的有效性。     

电容式微加速度计专用集成电路温度特性

温度是影响微加速度计性能的一个重要的因素。本文在分析微加速度计系统的基础上,设计并实现了电容式微加速度计专用集成电路,通过软件仿真和实际的温度试验,研究了专用集成电路的温度特性,给出了仿真和实测结果,并进行了相应的对比和分析。实测结果表明:在?40~120℃温度范围内,专用集成电路芯片输出随温度的输出变化为68.75μV/℃,即6.875×10-5。     

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.     

蝶翼式MEMS加速度计温度稳定性提升方法

环境温度变化造成的热应力是影响MEMS加速度计性能的关键因素。为了提升MEMS加速度计温度稳定性,以蝶翼式MEMS加速度计为研究对象,分别在敏感芯片上设计应力释放结构和敏感芯片与陶瓷基底之间设计应力隔离结构。利用有限元分析工具COMSOL对有无应力释放和隔离结构的情况进行了对比仿真,结果表明敏感单元上的敏感梁应用应力释放结构只有原结构最大应力水平的0.3%,封装时采用应力隔离结构间接连接比原直接连接方式最大应力下降一个数量级。采用微机械加工技术和微电子工艺技术结合的MEMS加工工艺实现含应力隔离结构的加速度计原理样机制作。对样机进行温度测试,试验结果表明有应力释放与隔离结构在-40°C～60°C区间的漂移量比无应力释放与隔离结构提升约3.5倍,验证了应力释放与隔离结构对温度稳定性提升的有效性,研究结果可以为加速度计在高性能、恶劣环境下的应用提供参考。     

MEMS加速度计温漂预测补偿模型

温度漂移是影响MEMS加速度计实用效能的关键问题,为提高加速度计的精度和使用范围,需对温漂进行建模和补偿.首先通过温度循环试验对MEMS加速度计温漂特性进行了分析,然后分别采用曲面拟合法、SVM模型和RVM模型建立了温漂预测补偿模型,最后应用环境温度试验数据对模型进行检验和验证.结果表明:三种方法均能够有效的预测加速度计温漂,补偿后的温漂滞环开口由60 mg分别下降到5 mg、10 mg、1 5 mg.曲面拟合法简单、精度高,但对系统重复性要求高,且对噪声比较敏感;SVM模型法计算能力强,但计算量较大,模型参数较多;RVM模型法模型参数较少,计算量小,但训练时间校长,且预测精度不如其他两种方法高.     

基于迭代估计的三轴加速度计温度模型参数外场标定方法

为补偿加速度计标度因数和零偏的热漂移误差,设计了一种可估计内场恒温环境下参数变化量的加速度计温度参数模型,并提出了基于迭代估计的温度模型参数外场标定方法。该方法不依赖精密的惯性测量设备和温箱,仅在重力场内对加速度计进行连续多组位置观测,充分利用加速度计冷启动过程产生的热漂移误差进行模型参数辨识,解决了加速度计温度误差特性和启动温度点相关的问题。针对加速度计测量信号为高斯白噪声的特点,建立了关于温度模型参数矢量和多组位置倾斜矢量的非线性准则函数,提出了两步迭代估计方法实现两组参数矢量的分离估计。根据不同位置下三轴加速度计输出信号粗略提取倾斜矢量,解决了迭代估计算法的初值问题。重力场内通过优化分析加速度计温度模型参数对重力值的灵敏度,设计了6组位置观测编排。实验结果表明,温度误差补偿前的重力值测量最大误差为3.62×10-4g,而温度误差补偿后重力值测量误差小于1×10-5g;同时,温度误差补偿前系统3 h纯惯性导航最大定位误差为1186 m,而温度误差补偿后最大定位误差小于600 m,从而表明提出的外场标定方法的有效性。     

硅微静电加速度计的支承刚度特性

静电加速度计通过降低带宽和量程在空间微重力环境下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、平行六面体状检验质量、体硅加工工艺的三轴硅微静电加速度计,推导并讨论了静电支承回路的典型刚度特性与控制参数之间的关系式。采用基于DSP的数字控制器,实现了敏感质量的六自由度稳定支承,在大气环境下测试了静电支承回路的主要性能。分析与测试结果表明,在支承系统频带内,支承刚度特性与控制器参数及气膜阻尼系数密切相关;同时,改变预载电压可以在较大范围内在线调整加速度计的量程和支承刚度等指标。     

MEMS电容式加速度计的四拱梁悬挂设计与参数优化

微机械结构的设计是MEMS电容式加速度计研究的重要内容。本文设计了一款四拱梁悬挂的MEMS电容式加速度计结构,建立了四拱梁悬挂结构的力学模型,对拱梁的结构参数进行了优化分析并获得了最优悬挂参数,接着利用COMSOL软件对微机械结构的自振特性进行了分析,并研究了静电对微结构自振频率的影响。研究表明,设计的四拱梁加速度计具有结构稳定、敏感方向位移灵敏度好、自振频率可调等特点,可为高性能的MEMS电容式加速度计的研制提供理论参考。

     

微机械加速度计自动测试系统

为了精确、高效地测量微机械加速度计的各项性能指标,并尽可能地降低地线干扰,系统采用DAQ-2213数据采集卡采集加速度计输出电压,使用多个独立电源及差模接法来降低地线干扰;温度敏感元件采用Pt100,电阻到电压变换电路采用三线制接法,选择PCI-(A)9114数据采集卡采集变换电路输出的电压值;采用Labview7.0接口函数实时显示加速度计输出电压和温度值,并输出有图表的Word文档.系统经过标定,输出电压精度为40 μV,温度精度为0.277℃.实验表明,系统能实时测量微机械加速度计的输出电压和温度值,而采用独立电源和差模输入可有效减少各路信号之间的干扰.     

硅微隧道式加速度计的输出反馈控制电路设计

为提高硅微隧道式加速度计的灵敏度,必须设计出高灵敏度的输出和反馈控制电路。在电路设计中,通过采用行之有效的措施来降低噪声和干扰可达到提高灵敏度的目的,如：将隧道式加速度计敏感单元的参考地设置为同一的大地;采用能抑制隧道式加速度计敏感单元和半导体器件所产生的1/f噪声的低噪声运算放大器;在电压信号放大过程中,尽量抑制干扰和噪声;且在电压反馈电路设计中,保护敏感单元不受损坏等措施。测试结果为标定因数1.2659V/g,其非线性度小于1%,可见在提高线性度的基础上也提高了灵敏度。     

大量程闭环MEMS加速度计非线性分析与优化法

为研究大量程翘翘板摆式闭环MEMS加速度计系统的输出非线性,分别从质量块受力不平衡所产生的平动效应以及电路零位引起质量块闭环平衡位置偏差两个主要误差源入手,建立了两种误差引起加速度计非线性的数学模型,并采用ANSYS和Simulink软件对传感器结构及系统进行了仿真验证,确定了该模型的正确性及非线性的优化方法。最后,按照以上分析进行了样机制作和离心测试。试验结果表明,通过减小翘翘板摆式结构质量块的平动效应,可将±150g量程加速度计的非线性由5.4979′10-2减小至5.320′10~(-3),在此基础上通过减小质量块闭环平衡位置偏差,可进一步将加速度计的非线性减小至2.772′10~(-3)。     

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。     

一种大过载MEMS加速度计新型封装方法

传统的MEMS系统级封装多采用IC标准的封装形式,例如塑料封装形式、陶瓷管壳封装形式、TO 系列金属管壳封装。由于大过载传感器需要工作环境冲击振动比较高,陶瓷管壳容易破碎;塑封采用热塑成型,封装后残余应力大;TO系列管壳体积较大,并且采用直插形式安装,在超过5×103g冲击下,管脚容易折断。针对这种情况,本文提出了一种新型 MEMS 加速度计封装方法,在圆片级采用玻璃-硅-玻璃三层结构,并采用铝金属壳体螺钉安装并在壳体内部双组分环氧树脂灌封。封装之后的大过载加速度计具有体积小,密封性强,残余应力小、抗强冲击、稳定性好、适应于小批量生产等优点。     

基于MEMS加速度计的倒置开关

运用MEMS加速度计MMA8453Q和单片机MSP430设计了一种针对放入式电子测压器的倒置开关。利用加速度计方向检测功能,单片机通过I2C接口读取加速度,判断是否倒置。倒置开关经步进电机多次旋转倒置测试成功率达到100%,并利用霍普金森杆进行了抗过载测试。结果表明,在受到45000g 冲击后仍能正常工作,能满足火炮等高冲击场合的测试要求。     

微机械杠杆力放大效果的计算和提高

硅微谐振式加速度计是一种高精度的惯性传感器,它通过谐振梁刚度随惯性力的变化检测输入加速度的大小。为了得到较高的标度因数,国内外的研究机构普遍使用微机械杠杆机构来放大惯性力,但实验中微机械杠杆往往达不到理想的放大倍数,尤其是多级杠杆对力的放大作用非常有限。结合国内加工条件,微机械杠杆力放大机构的模型被合理简化,使用有限元分析运动模态的方法,分别计算微机械杠杆、检测质量支撑梁以及谐振梁的刚度,并按此仿真计算结果估算微机械杠杆的力放大倍数。通过理论推导、ANSYS仿真和对微机械杠杆实验的结果验证了这种方法的正确性。为分析微机械杠杆实际的力放大效果提供了一种实用方法,并基于此方法提出通过提高输出刚度来提高微机械杠杆力放大倍数的方法。通过对杠杆结构的优化,可将原有3.9倍的杠杆放大倍数提高到7.0倍。     

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...     

石英挠性加速度计温度补偿算法

石英挠性加速度是惯性导航系统核心的惯性器件之一,其输出精度受到温度变化的影响,为了降低温度对石英挠性加速度计精度的影响,在研究石英挠性加速度计数学模型的系数随温度变化规律的基础上,设计了加速度计温度模型辨识试验方法,利用数据拟合方法建立了加速度计温度模型。应用该模型提出了石英挠性加速度温度补偿算法,针对该算法的有效性,进行了实验验证,结果表明应用该温度补偿算法,可使加速度计的测量精度提高一个数量级,补偿效果明显。该温度补偿算法可有效地应用于捷联式惯性导航系统等领域中。     

具有硬弹簧非线性的MEMS振动式陀螺仪驱动模态控制方法

当振动式M EM S陀螺仪的驱动模态的振幅较大时,驱动模态中的硬弹簧非线性将变得显著。在驱动模态具有此非线性的情况下,比较了MEMS陀螺仪中常用的两种控制方法,即锁相环驱动和自激驱动。由于非线性模态在频域内的相位响应有迟滞效应,锁相环驱动方式不能稳定地锁定非线性模态的谐振频率。然而得益于自激驱动方式的工作原理,自激方式可以将非线性模态驱动在谐振点上。提出了一种改进的数字锁相环驱动方式。该改进的驱动方式以较大的驱动力为代价,提高了控制回路的稳定性。实验结果与仿真结果相一致,并且验证了所提出的驱动方式的可行性。     

硅微振梁式加速度计抗温漂的微结构及工艺设计

针对硅微振梁式加速度计输出频率随环境温度漂移的问题,提出了抗温漂的硅微结构设计方法及相关工艺,降低了环境温度对输出的影响,在室温条件即可达到一定精度。通过建立"硅-玻璃"和"玻璃-陶瓷"耦合模型,分析了造成硅微振梁式加速度计温度漂移的原因。然后提出了"抗温漂耦合设计"的微结构和"半粘结封装"的封装工艺,降低了耦合模型中的理论温漂。利用加工出的原理样机进行实验,结果显示,采用抗温漂结构设计及封装工艺的原理样机,输出频率的温漂系数为-3.5×10-6/℃,室温下零偏稳定性为72.0μg。实验验证了抗温漂理论的可行性,可以满足室温下高精度硅微振梁式加速度计的设计要求。