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。     

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。     

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。     

基于静电悬浮转子的硅微陀螺技术

设计了一种转子采用五自由度静电悬浮的微机械陀螺。微陀螺基于玻璃-硅-玻璃键合的三明治结构、环形转子、体硅工艺、电容式位移检测方案;采用公共电极施加高频激励信号,基于隔离网络和频分复用的方法实现检测电极与加力电极的复用以简化陀螺结构;通过有源静电悬浮系统约束环形转子沿五自由度的运动,并提供足够的支承刚度;转子的转速控制基于三相可变电容式电机驱动方式,借助于检测转子与定子旋转电极的电容变化获得转子速度以实现转速闭环控制。目前已加工出基于深反应离子刻蚀工艺的微结构,采用基于DSP的数字控制器实现了环形转子的五自由度稳定悬浮。     

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。     

三轴压阻微加速度计的结构力学分析

为了提高三轴加速度计机械精度和加工过程中硅片的一致性,设计了基于SOI的单质量块四边八梁结构的三轴加速度计。通过连接扩散在梁上的压敏电阻构成得惠斯通电桥检测三个方向的加速度信号。电桥设计为开环形式,并给出三个方向的电桥输出。结合材料力学和振动力学中的相关理论,建立了结构的数学模型,并对其进行了系统的力学分析,从而得出结构参数对加速度计的一阶固有频率、灵敏度等性能的影响。利用有限元ANSYS仿真软件对结构模型进行了静态和模态分析,验证了力学分析的正确性。最后设计了八张版图及一套可行的工艺流程并加工出加速度计裸片。该微加速度计可同时检测三维加速度矢量,且电桥和结构的设计均较好的抑制了横向效应。     

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。     

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。     

高精度硅微谐振加速度计工程化设计与实现

硅微谐振加速度计因具有小体积优势和高精度潜力,成为硅微惯性传感器研制的热点之一。工程化设计是硅微谐振加速度计从原理样机向成熟产品转化过程中的关键步骤之一。在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从工程实用化设计角度出发,提出了一种高精度硅微谐振加速度计工程化设计方法。分别从系统设计、结构设计、控制电路设计和测试与补偿技术等方面进行了分析和对比,讨论了误差来源与改进方法。测试表明,设计的高精度硅微谐振加速度计质量块基频大于3 k Hz,谐振音叉中心频率约18 k Hz,标度因数大于100 Hz/g,量程±40 g,死区小于0.67 mg,带宽大于200 Hz,振动整流误差0.344 mg,零位一次通电稳定性优于50μg,测试结果基本满足工程化应用指标。     

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。     

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)。     

级联式高阶Σ△M数字式闭环微机械加速度计

基于Sigma-delta Modulator(Σ△M)原理的数字闭环微机械加速度计不仅实现了力反馈闭环控制,同时直接完成信号的模数转换。基于全差分式电容微加速度设计了一种2-2级联式(MASH)高阶Σ△M闭环系统——MASH_(2-2),并与传统的单环路二阶、四阶Σ△M闭环系统(SD2、SD4)进行了仿真分析比较,研制了原理样机。微加速度计是基于结构层厚度50mm的SOI硅片通过DRIE刻蚀、气态HF释放等一系列微加工工艺得到,系统电路以数字化方式集成在FPGA中。常压下测试结果表明,样机的灵敏度为0.876 V/g,噪声基底为-110 d B,零偏不稳定性为20mg,静态温漂为40.8mg/℃,量程为±20 g。     

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。     

用于新型等效原理空间实验检验的静电加速度计设计

等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,在更高精度上检验等效原理是否成立可以预言新型基本相互作用力。新型等效原理是我国科技工作者提出的一种假设,通过检验两个相同材料但自旋状态不同的宏观物体的自由落体运动来检验等效原理可能存在的破坏。提出了一种面向空间检验新型等效原理的差分静电加速度计设计方案,给出了地面实验用原理样机的结构设计,对结构模态和温度应力进行了有限元仿真;依据支承刚度和量程约束条件,对径向和轴向静电支承控制回路进行了设计和仿真分析;建模分析了高真空下转子静电加转驱动回路的主要性能,仿真结果表明启动过程中达到目标转速(10~4 rpm)的启动时间为36.9 min。     

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。     

星载静电加速度计加转回路建模与分析

新型等效原理实验通过检验两个相同材料但自旋运动有显著差异的宏观物体的自由落体运动来验证等效原理可能存在的破坏。根据新型等效原理空间实验的科学目标,提出了一种星载差分静电加速度计方案,设计了基于可变电容式电机原理的静电加转回路;在分析了作用于转子上的静电加转力矩、残余气体阻尼及磁场阻尼的基础上,建立了转子加转回路的动力学模型并进行了仿真分析;仿真结果表明,启动过程使转子达到目标转速(10 000 rpm)的启动时间为9.8天。静电加转方法可在电极筒上同时配置加转电极与悬浮电极,结构紧凑,同时避免了传统的异步电机加转产生的电磁干扰。     

静电加速度计悬浮质量块质心偏移量在轨标定

高精度静电加速度计已广泛地应用于航天任务中,用于测量作用于航天器的非引力加速度。如果静电加速度计悬浮质量块的质心与航天器的质心安装有偏差时,重力梯度力、姿态耦合产生的干扰加速度,静电加速度计控制系统引入的干扰加速度等干扰力会夹杂在测量数据中。针对这一问题,研究了航天器小质量特性变化情况下,当静电加速度计处于动态设计良好并进入稳态后,利用静电加速度计、陀螺仪和磁强计作为敏感元件,基于非线性卡尔曼滤波理论的静电加速度计悬浮质量块质心偏移量的在轨标定。仿真结果表明,该方案的精度J向可以达到0．1mm,Y和Z向能达到0．04mm。     

铁心切割对静电悬浮用方波变压器性能影响的研究

高压变压器是静电悬浮系统的关键元件之一.微晶合金C型铁心的采用使方波变压器的制作工艺变得简便,但铁心截面的切割质量和装配工艺对变压器的性能有着很大影响.该文从理论和实验两方面对这种影响进行了研究,提出了采用细砂纸手工研磨铁心截面的办法改善变压器的性能.测试表明,铁心研磨后变压器的静态功耗降低57.6%,通频带拓宽29%,出力系数提高8%.结果表明,铁心研磨的措施能够显著减小铁心切割对变压器性能的影响,这对于变压器的设计和性能优化具有重要参考价值.     

旋转载体驱动硅微机械陀螺幅频特性

介绍了一种安装在旋转体上,用于旋转体姿态控制的新型微机械陀螺.陀螺利用旋转载体的滚转获得角动量,当载体发生偏航或俯仰,敏感质量块受到周期性哥氏力的作用,从而敏感载体的偏航或俯仰角速度.飞行试验中舵机的舵偏打容易使陀螺发生共振,陀螺输出信号无法满足旋转载体姿态控制的要求.针对这一问题,需精确测量陀螺的固有频率.首先基于陀螺运动方程分析了其幅频特性和固有频率,并利用数值计算软件进行了仿真,最后提出了一种对该陀螺幅频特性的测量方法,得到了幅频特性曲线,确定了固有频率70 Hz.实际测量的幅频特性曲线和仿真曲线一致,测量的固有频率相对于舵偏打产生的共振频率点误差为2.1%,通过避开测得的70 Hz 固有频率,获得了符合姿态控制要求的陀螺输出信号.