MEMS陀螺仪器件级真空封装技术 被引量：24

1

作者 施芹 苏岩 +1 位作者 裘安萍 朱欣华 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第8期1987-1992,共6页

为进一步提高MEMS陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了MEMS陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。以Z轴MEMS陀螺仪动力学方程为基础,分析了MEMS陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品... 为进一步提高MEMS陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了MEMS陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。以Z轴MEMS陀螺仪动力学方程为基础,分析了MEMS陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品质因数陀螺仪的空气阻尼。对早期真空封装陀螺仪品质因数的变化曲线进行了分析,得出了腔体内残余气体是品质因数下降的主要原因。采用程序升温脱附质谱分析法(TPD-MS)分析陶瓷管壳和金属盖板的放气特性,并选用了合适的吸气剂。最后,改进了器件级真空封装流程。测试结果表明,采用改进的器件级真空封装的陀螺仪品质因数最高可达162660,约为早期真空封装陀螺仪品质因数的14倍,且在一年内的变化<0.05%。 展开更多

关键词 MEMS陀螺仪 真空封装 真空保持度 吸气剂

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基于加速度计余度配置的MEMS捷联惯导初始对准方法

2

作者 钱伟行 朱欣华 苏岩 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2011年第6期659-663,共5页

初始对准性能是影响智能弹药姿态控制与弹道修正效果的重要因素之一。针对弹载MEMS捷联惯性导航系统,研究了一种基于常规捷联惯导系统结构的3轴加速度计斜装余度配置系统结构改进方案,以及该结构的系统在大俯仰角条件下的初始对准方法,... 初始对准性能是影响智能弹药姿态控制与弹道修正效果的重要因素之一。针对弹载MEMS捷联惯性导航系统,研究了一种基于常规捷联惯导系统结构的3轴加速度计斜装余度配置系统结构改进方案,以及该结构的系统在大俯仰角条件下的初始对准方法,并在高精度转台上进行了对准方法的实际性能验证。实验结果表明了MEMS惯导系统的改进结构与初始对准方法,在载体大俯仰角条件下提高初始对准精度与加速度计偏置稳定性的有效性。本文的研究可为弹载环境下的MEMS惯性导航系统提供理论研究与工程应用参考。 展开更多

关键词 捷联惯导 初始对准 余度配置 加权最小二乘 最优滤波

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一种摆式谐振加速度计的微杠杆结构设计与分析 被引量：1

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作者 周严 张宇轩 +3 位作者 姚志超 吴天豪 苏岩 张晶 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第3期290-299,共10页

为提升摆式谐振式加速度计性能,设计了一种将质量块与微杠杆结构一体化的摆式微杠杆结构,实现惯性力的敏感与放大,提升结构的鲁棒性。首先建立了微杠杆结构力学模型,并进行了关键参数计算。其次,根据微杠杆结构放大倍数影响机理,分析了... 为提升摆式谐振式加速度计性能,设计了一种将质量块与微杠杆结构一体化的摆式微杠杆结构,实现惯性力的敏感与放大,提升结构的鲁棒性。首先建立了微杠杆结构力学模型,并进行了关键参数计算。其次,根据微杠杆结构放大倍数影响机理,分析了质量块、支撑梁及微杠杆结构尺寸参数对放大倍数的影响;理论分析与有限元仿真结果均表明,支点梁与输出梁的宽度应作为该类微杠杆的关键优化参数。最后,根据上述结论对现有结构尺寸进行优化,优化后的微杠杆放大倍数为15.68,系统放大倍数为12.88,标度因数为70.52 Hz/g,较优化前分别提升了36.94%、36.87%和36.88%,验证了优化方法的有效性。 展开更多

关键词 谐振式加速度计 摆式结构 微杠杆 放大倍数

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小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试 被引量：12

4

作者 赵健 施芹 +3 位作者 夏国明 裘安萍 吴志强 苏岩 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第8期1927-1933,共7页

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪... 设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次,使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元,通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后,采用复位计数器进行频率数字转换,在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示:该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下,实现了2.5μg/√Hz的分辨率和1μg的零偏不稳定度。此外,为了减小电路自身发热引起的温度漂移,该样机的功耗被控制在3.5mW以内,系统集成后的尺寸约为45mm×30mm×20mm。基于所述技术,系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。 展开更多

关键词 硅微谐振式加速度计 专用集成电路 SOI工艺 真空封装 小型化 低功耗

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硅微振动陀螺仪设计与性能测试 被引量：14

5

作者 贾方秀 裘安萍 +1 位作者 施芹 苏岩 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第5期1272-1281,共10页

介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测。利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构。为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空... 介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测。利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构。为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空封装技术实现了器件级真空封装,并消除了轴向加速度等共模干扰的影响。陀螺电路采用自激闭环驱动、开环检测的方式,简化了电路。为了降低环境温度对陀螺零偏的影响,研究了既定范围内陀螺的输出特性,建立了陀螺输出与温度之间的关系模型,设计了温度补偿电路,降低了陀螺整表的功耗和体积。对采用上述技术的硅微陀螺仪进行了性能测试,测试结果表明,陀螺Q值>100 000,量程为±500(°)/s,标度为21.453mV.(°)-1s-1,非线性和对称性分别为36.905×10-6和184.125×10-6。常温下陀螺零偏稳定性为7.714 3(°)/h,带宽为100Hz,整表体积为31mm×31mm×12mm,功耗为288mW。该陀螺仪性能好、体积小、功耗低,在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景。 展开更多

关键词 硅微振动陀螺仪 真空封装 自激驱动 温度补偿

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硅微谐振式加速度计的实现及性能测试 被引量：20

6

作者 石然 裘安萍 苏岩 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第12期2583-2589,共7页

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构... 为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。 展开更多

关键词 硅微谐振式加速度计 谐振器 差动结构 DDSOG

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硅微陀螺仪零偏稳定性的优化 被引量：7

7

作者 赵阳 裘安萍 +2 位作者 施芹 夏国明 赵健 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第9期2381-2388,共8页

为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性,使其满足更高精度应用场合的需求,研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例,对影响其零偏稳定性的主要因素:机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了... 为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性,使其满足更高精度应用场合的需求,研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例,对影响其零偏稳定性的主要因素:机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析,并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则,优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试,以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明,4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移,且零偏稳定性在6(°)/h左右,达到了中等战术级水平。 展开更多

关键词 硅微陀螺仪 零偏稳定性 机械耦合误差 前置接口放大器

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硅微谐振式加速度计结构设计与仿真 被引量：11

8

作者 裘安萍 庄瑞芬 施芹 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2009年第1期93-97,共5页

硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点。提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;... 硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点。提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;结合现有加工工艺水平完成整体结构设计;运用MATLAB分析结构参数对性能的影响并对参数进行优化设计;运用ANSYS对加速度计整体结构进行仿真验证。所设计加速度计的谐振频率约29kHz,标度因数为95Hz/g,量程为±50g,其差分输出频率的线性度为0.099%。经研究表明,在加速度计的结构设计中,量程范围要与谐振器原理性误差协调考虑;谐振器振幅不宜过大;在现有加工工艺条件下,谐振器振梁的宽度产生的加工误差最大,对谐振器的性能影响最大。 展开更多

关键词 加速度计 DETF 非线性 有限元分析

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微机械陀螺检测接口建模及前置放大器优化 被引量：7

9

作者 赵阳 裘安萍 +1 位作者 施芹 赵健 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第7期1734-1740,共7页

为了进一步提高微机械陀螺的极限分辨率,建立了基于SOI工艺的微机械陀螺的检测接口模型,并设计了与之相匹配的前置接口放大器。首先,根据陀螺表头的实际结构建立了微机械陀螺表头的RC集总参数模型和微机械陀螺检测接口的噪声模型,分析... 为了进一步提高微机械陀螺的极限分辨率,建立了基于SOI工艺的微机械陀螺的检测接口模型,并设计了与之相匹配的前置接口放大器。首先,根据陀螺表头的实际结构建立了微机械陀螺表头的RC集总参数模型和微机械陀螺检测接口的噪声模型,分析了检测接口主导噪声源及提高极限分辨率的措施。然后,在跨阻式前置放大器的基础上设计了改进的与检测接口匹配的T型前置放大器。实验结果表明:相比于跨阻式前置放大器,采用改进的T型前置放大器的等效噪声输入电流由1.18pA/√Hz降低至0.27pA/√Hz,对应的电容极限分辨率可达到0.62aF/√Hz。结果显示,采用与检测接口匹配的T型前置放大器提高了微机械陀螺的极限分辨率。 展开更多

关键词 微机械陀螺 接口模型 极限分辨率 T型前置放大器

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微杠杆在硅微谐振式加速度计中的应用 被引量：5

10

作者 石然 姜劭栋 +1 位作者 裘安萍 苏岩 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第4期805-809,共5页

从基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,阐述了加速度计中微杠杆结构对惯性力的放大作用,证明了标度因数与系统放大倍数n为正比关系,并以加速度计样机中的单级微杠杆为例,建立了加速度计的理论模型... 从基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,阐述了加速度计中微杠杆结构对惯性力的放大作用,证明了标度因数与系统放大倍数n为正比关系,并以加速度计样机中的单级微杠杆为例,建立了加速度计的理论模型。推导了微杠杆的放大倍数A和轴向刚度K的计算公式,以此为基础导出了加速度计系统放大倍数n的计算方法。依据公式计算得到加速度计样机的系统放大倍数n的理论值为21.820,并用有限元方法对理论值进行了仿真验算,得出n的仿真值为19。最后对加速度样机进行了实际测试,测得加速度计的标度因数为127.33Hz/g,系统放大倍数n为25.466。对所得结果的比较表明,系统放大倍数的理论值与仿真值及实验值的误差分别为14.8%和14.3%,误差在可接受范围内。 展开更多

关键词 硅微谐振式加速度计 微杠杆 放大倍数

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硅微谐振式加速度计驱动电路参数优化 被引量：2

11

作者 赵健 苏岩 +1 位作者 赵阳 夏国明 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第6期1500-1506,共7页

将遗传算法与低频模型相结合,提出了一种快捷的驱动电路设计方法,用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能,并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦,提取闭环驱动电路的低频模型;将提取的低频模... 将遗传算法与低频模型相结合,提出了一种快捷的驱动电路设计方法,用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能,并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦,提取闭环驱动电路的低频模型;将提取的低频模型与遗传算法相结合,给出完整的优化方法,得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计,建立了SIMULINK低频仿真模型,根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数,并对其进行了实验验证。起振实验结果表明,采用优化参数可使超调量小于50%,相位误差小于5°,1%调节时间从优化前的0.42s减少到优化后的0.19s,实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效,具有可实施性。 展开更多

关键词 硅微谐振式加速度计 闭环驱动 遗传算法 非线性系统

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硅微陀螺带通ΣΔ闭环检测环路设计

12

作者 祝云峰 吴志强 +1 位作者 朱欣华 苏岩 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第1期88-93,共6页

本文研究了SDM调制器在陀螺闭环检测中的应用,主要针对其闭环检测的结构设计和参数获取作了相应的研究和阐述。硅微机械陀螺敏感模态为二阶模态,基于SDM调制器的设计原理,结合DSToolbox来设计整个闭环检测电路,得到闭环检测电路的结构... 本文研究了SDM调制器在陀螺闭环检测中的应用,主要针对其闭环检测的结构设计和参数获取作了相应的研究和阐述。硅微机械陀螺敏感模态为二阶模态,基于SDM调制器的设计原理,结合DSToolbox来设计整个闭环检测电路,得到闭环检测电路的结构和参数。最终仿真得到的闭环检测系统的信噪比达到了106 d B。在量程为±200°/s,带宽为200 Hz时,分辨率可以达到0.001°/s。 展开更多

关键词 硅微陀螺仪 闭环检测 SIGMA delta调制器 参数获取 信噪比

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