环形无源万向微机电惯性开关

针对传统惯性开关阈值散布大、万向性差等缺点,设计了一种环形无源万向微机电惯性开关.环形的可动质量框作为可动电极,由内部的四根折叠悬臂梁支撑,和外部的环状固定电极有一定间隙,构成 xy 平面内的万向开关.对设计开关进行有限元动态接触仿真,结果表明开关在1000 g 加速度作用下的响应时间和接触时间分别约为0.142 ms 和5ms,表现出较高的触发灵敏度和良好的接触效果.研究悬臂梁线宽与开关阈值加速度的关系,结果表示悬臂梁线宽的微小变化会引起阈值加速度的较大变化.利用冲击台试验对封装后的开关进行阈值试验,试验结果表明实际阈值分布在900 g ~1300 g 范围内,80%的开关阈值比设计值大.用微电镜对悬臂梁线宽进行静态测量,悬臂梁线宽加工误差大多分布于0~+2mm,加工误差直接导致开关的阈值加速度增加,设计阶段应充分考虑加工误差对阈值加速度的影响.     

低g值MEMS惯性开关的设计与工艺优化

针对既有硅基低g值MEMS惯性开关的加工工艺复杂、加工周期长以及成品率低的问题,提出改进的结构设计和工艺方案。设计以圆形质量块+圆形螺旋梁为基础的敏感结构,以避免原结构因应力集中导致的螺旋梁断裂现象;提出玻璃-SOI-玻璃三层直接键合工艺技术,改变金属电极间绝缘设计方法,调整开关行程的加工方式,从而减少大量加工工序,降低了工艺难度。形成了一种可靠、简单的低g值开关的统一化加工方案。流片结果表明,新研制的MEMS开关的加工周期缩短为原来的1/3,加工成品率提高为原来的4倍。测试结果表明,开关阈值为5.6g,符合设计要求的5.5g±1g。     

低g值微惯性开关单向敏感性设计与分析

选用典型的"弹簧-质量"系统,基于平面矩形螺旋梁结构,研制了一种具有良好单向敏感性的低g值微惯性开关。采用ANSYS有限元软件,对惯性开关的单向敏感性进行了静力学仿真分析。分析结果表明,横向加速度对惯性开关闭合阈值的影响较小。采用MEMS体硅加工工艺和圆片级封装技术,包括KOH腐蚀、ICP刻蚀和喷涂工艺等关键工艺技术,完成了微惯性开关的制备。经离心试验测试,微惯性开关的闭合阈值约为12.26g,具有约±0.2g的闭合精度。当横向惯性加速度小于15g时,对其闭合阈值的影响小于0.5g。测试结果表明,微惯性开关具有较好的单向敏感性,多次测试重复性好,具有体积小、结构简单、加工容易实现、环境适应性好等特点。     

一种交叉梁硅微加速度开关的设计

针对一种新型交叉梁硅微加速度开关的设计技术进行了研究,首先推导了结构的静态刚度,确定了一种敏感芯片结构尺寸,在此基础上利用有限元方法仿真计算不同方向加速度作用下的结构变形情况。从结构特点和加工方法出发,分析了可能影响精度的几种加工误差,并给%时,梁厚的误差要求。其分析计算结果可指导该种类型加速度开关的设计和加工。     

一种微机电非线性耦合系统奇点稳定性研究

工程中许多微机电系统都采用电容驱动原理，这类结构实际上存在着强烈的静电和机械两个物理场的非线性耦合，因此系统的动态特性比较复杂。本文基于一种扭转微镜系统，通过数值分析方法，研究其非线性动态特性，根据理论分析和数值计算证明该系统在相平面中存在两个奇点，一个是稳定中心，一个是鞍点，且两个奇点位置均随施加电压的变化而逐渐靠近，从而得出系统的静态分叉点；同时分析了有阻尼和无阻尼时电压的变化对相轨道的影响，以及阻尼对吸合电压的影响，吸合电压随阻尼的增大而提高，这些研究结果不仅对扭转微镜的设计和应用提供了理论和方法，而且对用电容驱动的微机电系统的设计亦有参考价值。     

基于MEMS惯性传感器的人体多运动模式识别

针对人体多运动模式识别中识别精度低的问题,提出一种基于MEMS惯性传感器的人体多运动模式识别算法。该算法选取MEMS加速度传感器的时域特征作为模式识别特征量,提取MEMS角速度传感器的时域特征作为二次识别的特征量,能够准确识别走、跑、站立、上楼、下楼、趴倒、躺倒、倒退多种运动模式。识别过程采用分层识别算法,同时使用支持向量机识别区分难度较大的两类行为动作。嵌入式消防单兵定位系统平台的实验验证表明,利用该算法能够识别消防单兵的多运动模式,平均识别精度达到94%以上。     

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。     

基于低成本磁场和MEMS惯性传感器的姿态测定系统

在机器人、小型无人自主飞行器等严格限制成本、体积、功耗的应用场合,一套合适的姿态测定系统显的尤为重要。为此,提出了一种低成本的实时姿态决定系统,该系统由传感器模块和数字信号处理器(DSP)组成。传感器模块由一个三轴的磁罗盘和一个基于MEMS技术的惯性测量单元构成,文中对系统的软硬件设计进行了详细的论述。在此嵌入式平台上面,开发了一套基于四元数和扩展卡尔曼滤波的姿态估计算法,对算法的原理进行了详细介绍。最后给出的实验结果显示此系统具有相当高的性能,姿态角误差的方差在0.02°以下。     

建立惯性仪表安装误差数学模型的理论研究

安装误差对系统精度有较大的影响,对捷联惯性系统的影响尤为突出,为此从仿射坐标系的坐标变换理论入手,分析并推导了建立惯性仪表安装误差数学模型的坐标变换矩阵公式,为惯性仪表安装误差数学模型的建立、测试及在惯性导航系统中的补偿提供了理论依据。     

捷联惯性测量组合误差系数的软件补偿法研究

针对捷联惯性测量组合误差的数学模型,提出了惯性组合误差补偿的计算方法,推导了计算过程,得到了陀螺和加速度计误差补偿公式.通过补偿计算,能够得到弹体在采样时间间隔内运动的视速度增量和角增量.该算法能够满足应用的精度要求,对捷联惯性测量系统的误差补偿有一定的有效性和可行性.     

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.     

基于MEMS惯性测量单元的多源信息自适应步数检测方法

针对基于MEMS惯性测量单元的行人航迹推算中步数检测方法仅利用单一的加速度信号检测精度较低的问题,提出一种多源信息自适应步数检测方法。该方法通过综合考虑人体运动过程中的加速度信号和角速度信号,根据不同的步态特征通过设定不同的自适应阈值条件实现步数的检测。虽然常规的峰值检测算法和固定阈值检测算法在单一步态下步数检测精度相对较高,但是对复杂运动状态下的步数检测精度很差,无法适用于真实的行人运动过程中步数的检测。然而多源信息自适应步数检测方法却能够在行人不同运动状态下精确检测步数,该方法明显优于常规的峰值检测方法和阈值检测方法。试验结果表明,本文提出的多源信息自适应阈值检测方法在行人不同运动状态下的步数检测精度可达98%以上。     

MEMS仪表惯性组合导航系统发展现状与趋势

基于MEMS仪表的惯性组合导航系统是飞行器实现轻小型化的关键配套设备之一。针对国外MEMS惯性组合导航系统产品的实现方案与性能指标进行了综述;介绍我国在该领域的研究现状,简要分析当前存在的问题与技术瓶颈,指出我国应结合现有硅微惯性器件加工水平与理论研究成果展开有针对性的研究工作。最后,对该领域的技术发展方向进行了分析。     

基于足部微惯性/地磁测量组件的个人导航方法

为降低个人导航定位对卫星导航系统(GNSS)的依赖性,研究了一种基于足部安装微惯性/地磁测量组件的个人导航定位方法.该方法通过微惯性测量组件信息进行捷联惯导解算获得人体足部的姿态、速度与位置信息,利用磁传感器确定运动的航向信息,并采用基于步态相位检测的零速修正方法,实时修正MEMS惯性导航系统的导航信息误差以及惯性传感器的随机误差,从而减缓惯性导航系统的定位误差随时间的积累.导航定位实验结果表明,直线与矩形行进路线的导航定位误差在行进约9 min时分别保持在2 m与6 m左右,分别占行进距离的1.1％与2.5％.该实验结果证明所提出的方法可有效提高个人导航系统的定位精度,在GNSS信号衰减或失效的环境中可实现较长时间的个人导航定位.