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双H型石英陀螺电容耦合分析与电极优化设计

中国惯性技术学报 2012年第2期20卷 230-233页

作者：冯立辉张志雄崔芳王健孙雨南北京理工大学光电学院北京100081

双H型石英陀螺的音叉结构具有电极工艺简单的优点,但该陀螺的电容耦合噪声比H型石英陀螺的电容耦合噪声大。为减小电容耦合噪声,分析了双H型音叉的电容耦合噪声的影响和产生机理,采用ANSYS软件分析电容耦合噪声。在驱动电极上加载电压载... 详细信息

双H型石英陀螺的音叉结构具有电极工艺简单的优点,但该陀螺的电容耦合噪声比H型石英陀螺的电容耦合噪声大。为减小电容耦合噪声,分析了双H型音叉的电容耦合噪声的影响和产生机理,采用ANSYS软件分析电容耦合噪声。在驱动电极上加载电压载荷,采用静态分析功能,在后处理器POST1中获取敏感电极的电荷量,利用电压和电荷的关系获取检测电极的耦合分布电容,采用这一指导原则,设计了一种新电极分布的音叉;通过仿真和测试对比了新电极和旧电极音叉的耦合分布电容,测试结果表明,新的电极设计的耦合电容值为旧电极的耦合电容值的50%左右。介绍了一种新的电极结构的双H型石英陀螺,并给出耦合电容的仿真分析及测试方法,该方法可以指导石英陀螺电极设计。

关键词：石英陀螺电容耦合噪声 ANSYS仿真耦合电容测试

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石英陀螺数字驱动信号处理电路的设计

石英陀螺数字驱动信号处理电路的设计

作者：张鑫怡哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

石英压电陀螺工艺结构简单,温度特性好,具有克服冲击和振动等恶劣环境的能力,大大提高了器件的可靠性,在成本、体积和重量等方面都优于机械和光学陀螺。接口电路中的驱动电路,是石英陀螺正常工作的基础,且驱动性能的好坏直接影响陀螺整... 详细信息

石英压电陀螺工艺结构简单,温度特性好,具有克服冲击和振动等恶劣环境的能力,大大提高了器件的可靠性,在成本、体积和重量等方面都优于机械和光学陀螺。接口电路中的驱动电路,是石英陀螺正常工作的基础,且驱动性能的好坏直接影响陀螺整机的性能。目前微电子技术的高速发展,系统的微型化和集成化已经成为一种趋势,传统的模拟驱动存在集成度欠佳的问题。考虑到以上因素,有必要设计一种高集成度的数字接口电路,完成驱动环路的整体功能。本文首先研究分析了石英陀螺表头的驱动工作原理,在此基础上建立机械域模型,分析敏感结构的质量块在驱动模态的受力,类比驱动端的运动位移方程,得到电学模型,完成对驱动响应信号的I/V转换,经过半波整流、低通滤波,得到当前信号的幅值,PI控制输出幅值相对参考电压的调节量,与AD转换的输出信号相乘就能得到与驱动响应信号同频的驱动信号,调节相位之后保证振荡的相位条件成立,将产生的驱动信号返回表头构成整体的驱动环路,调节PI的参数,实现对驱动稳定速度的优化。最后结合RTL模型,经过综合优化,时序分析,布局布线,可以完成驱动环路的版图设计,提取寄生参数,完成后仿真,比对前仿结果基本一致。综上,本文完成了石英陀螺驱动环路的电路级和版图设计。驱动信号频率为11.86 kHz,与驱动响应信号同频,幅值通过PI控制可以实现快速稳定,另外,接口电路的AD和DA转换模块均可在12 kHz带宽内达到16位精度的要求,驱动环路在150 ms内可以实现环路的稳定振荡并满足闭环驱动的功能要求。

关键词：石英陀螺等效电学模型数字信号处理驱动环路高集成度

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石英陀螺中低谐波失真驱动电路的分析与设计

石英陀螺中低谐波失真驱动电路的分析与设计

作者：吕秋叶哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着微电子集成技术的高速发展,分立器件及系统的微型化和单片化已成为一种发展趋势,进而促进了微机电系统的发展。微机械陀螺作为微机电系统的成员,它主要用于惯性系统角速度的测量。微机械陀螺具有体积小、可靠性高等优点。鉴于其在... 详细信息

随着微电子集成技术的高速发展,分立器件及系统的微型化和单片化已成为一种发展趋势,进而促进了微机电系统的发展。微机械陀螺作为微机电系统的成员,它主要用于惯性系统角速度的测量。微机械陀螺具有体积小、可靠性高等优点。鉴于其在军事和民用领域的巨大应用前景,微机械陀螺成为国际上的研究热点。目前大多研究机构在该领域仍处于研究与实验阶段。接口电路作为陀螺惯性系统的重要组成部分,其性能好坏直接影响陀螺检测的精度,而目前接口电路的实现多采用分立器件。为了减小成本与体积,有必要对接口电路进行集成化的设计。接口电路中驱动电路是微机械陀螺系统正常工作的基础,其驱动性能的好坏直接影响陀螺整体的性能。基于上述原因,本文结合谐波失真的相关分析,完成对石英陀螺的驱动环路的设计。本文首先结合音叉式石英陀螺的工作原理,利用其动力学方程,建立了驱动模态的等效电学模型,为后续驱动环路的设计奠定了基础;然后从驱动信号相位噪声和检测输出稳定性角度出发,分析了谐波失真对石英陀螺性能的影响,进而确定了低谐波失真驱动电路的驱动方式;随后针对课题的要求,比较模块的不同实现方式,完成了闭环驱动电路的系统级设计;接着结合相应指标,完成了电路级驱动环路的设计及相关性能的仿真,并针对谐波失真进行电路优化;最后结合电路级参数,完成石英陀螺驱动环路版图的设计,提取相应的寄生参数,进行后仿真,并与前仿结果进行对比,两者基本上保持一致。采用CSMC 0.5μm CMOS工艺,完成了石英陀螺的驱动电路的电路级和版图级设计。环路稳定振荡后,驱动信号的频率为118259Hz,峰峰值为5.642V,频率抖动为4Hz,频率稳定度为0.036%,另外,驱动信号的谐波失真为0.8%,驱动模态敏感输出信号的谐波失真为0.245%,满足课题的预期要求。

关键词：石英陀螺接口电路闭环驱动谐波失真

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基于公理设计理论的微机械石英陀螺的研究

传感器与微系统 2008年第8期27卷 69-71,80页

作者：施阳和张鸿海刘胜武汉光电国家实验室湖北武汉430074 华东交通大学机电工程学院江西南昌330013 华中科技大学机械科学与工程学院湖北武汉430074

运用公理设计的理论分析了振动陀螺的原理,提出了振动陀螺的公理设计模型,并用这种模型对微机械石英陀螺的振动敏感元件—石英音叉片进行了解耦分析。运用灵敏度的有限元分析方法对石英音叉片的解耦设计的优劣进行了评价,为后续的设计... 详细信息

运用公理设计的理论分析了振动陀螺的原理,提出了振动陀螺的公理设计模型,并用这种模型对微机械石英陀螺的振动敏感元件—石英音叉片进行了解耦分析。运用灵敏度的有限元分析方法对石英音叉片的解耦设计的优劣进行了评价,为后续的设计提供有益的参考。

关键词：公理设计振动陀螺石英陀螺灵敏度

数字石英陀螺设计方法及在MEMS组合导航系统中的应用

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数字石英陀螺设计方法及在MEMS组合导航系统中的应用

作者：汪守利哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

伴随科学技术的进步,无人作战系统已经成为各主要军事强国及战乱地区国家在军事装备上的重要选项。无人机及配套的高度智能精确制导武器已成为当代战争的新宠。而微小型化、高性能的导航系统则是精确制导武器的关键设备。由于中小型武... 详细信息

伴随科学技术的进步,无人作战系统已经成为各主要军事强国及战乱地区国家在军事装备上的重要选项。无人机及配套的高度智能精确制导武器已成为当代战争的新宠。而微小型化、高性能的导航系统则是精确制导武器的关键设备。由于中小型武器系统的精确制导化军事应用需求,使得基于MEMS技术的惯性测量单元得到了巨大发展。基于MIMU的惯性导航和卫星导航相结合的MEMS组合导航系统,因具有小体积、轻重量、低功耗、低成本、高可靠性、集成化程度高等优点,对微小型运载体的导航、姿态控制与制导具有重要意义,已成为了当前导航技术领域研究的重点发展方向。石英微机械陀螺作为MEMS陀螺的重要分支,在国外已经取得了成功应用。国内在石英MEMS陀螺技术方面较国外有明显的技术差距。本文对石英微陀螺测量与控制技术开展了研究,建立了基于FPGA的数字化石英微陀螺控制模型,进行了仿真及实验。数字化石英微陀螺测量与控制技术主要包括了驱动环路控制技术及拾取环路解调技术。驱动控制环路由参考信号发生器、幅值控制器、频率控制器等组成。驱动环路频率调节及幅值控制均采用了基于PI的控制方法。拾取信号解调时,通过精确测量拾取输出与驱动信号相位差,采用固定延时法获取精确的角速率输出。基于数字化石英微陀螺、硅微加速度计及小型化卫星导航接收机,构建了MEMS组合导航硬件系统。在此基础上,建立了惯性测量单元MIMU数学模型,通过对惯性传感器的标度因数温补实验、零位温补实验及标定实验,获取了MIMU数学模型参数;建立了MEMS组合导航系统状态方程及误差方程,完成了MEMS组合导航系统软件设计,完成了组合导航系统静态实验及动态实验,验证了系统设计的正确性及合理性。

关键词：石英陀螺 MEMS 组合导航 FPGA

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基于自传感的数字石英陀螺温度补偿技术研究

自动化与仪器仪表 2020年第6期 1-5,10页

作者：冯立辉王瑞汤一王松杰崔建民北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室北京100081 北京晨晶电子有限公司北京100020

温度补偿是提高MEMS陀螺性能的关键技术,数字化系统及软件补偿是当前的研究热点,现有补偿方法中温度传感器和陀螺芯片分离造成补偿不精确。提出了一种基于温度自传感的数字石英陀螺温度补偿方法,在数字驱动电路的基础上通过陀螺芯片反... 详细信息

温度补偿是提高MEMS陀螺性能的关键技术,数字化系统及软件补偿是当前的研究热点,现有补偿方法中温度传感器和陀螺芯片分离造成补偿不精确。提出了一种基于温度自传感的数字石英陀螺温度补偿方法,在数字驱动电路的基础上通过陀螺芯片反馈的参数获取温度信息,动态补偿解调参考信号的相位,并通过高阶拟合实现温度补偿。实验表明经过补偿后,零偏稳定性由192.85°/h提升至5.03°/h,温度漂移得到了显著抑制。未来该方法可进一步通过混合集成,制备成集成电路芯片。

关键词：石英陀螺温度补偿正交误差温度自传感

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浅析微机械石英陀螺的设计

国防制造技术 2016年第2期 56-58页

作者：余德林湖北交通职业技术学院湖北武汉430079

本文根据振动陀螺的工作原理,利用公理化设计理论进行了分析,建立振动陀螺设计模型,使用该模型石英振动陀螺仪传感元件—石英音叉片进行分析。利用有限元法是应用于音叉电子晶片灵敏度数据分析,评估其优缺点,设计石英音叉片解耦,为其他... 详细信息

本文根据振动陀螺的工作原理,利用公理化设计理论进行了分析,建立振动陀螺设计模型,使用该模型石英振动陀螺仪传感元件—石英音叉片进行分析。利用有限元法是应用于音叉电子晶片灵敏度数据分析,评估其优缺点,设计石英音叉片解耦,为其他的设计提供有利的参考。

关键词：公理设计灵敏度振动陀螺石英陀螺

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梳齿型石英陀螺模态特性分析

机械工程与自动化 2009年第3期 63-65,68页

作者：杨树军贾庆熊国良华东交通大学江西南昌330013

采用现代有限元分析工具COMSOL Multiphysics对微型石英音叉陀螺的振动模态特性以及感测电极不同配置时电荷的分布和电压的大小进行了分析,从而确定其几何尺寸和灵敏度较高时的感测电极配置,为后续的电路设计提供了参考。分析结果对预... 详细信息

采用现代有限元分析工具COMSOL Multiphysics对微型石英音叉陀螺的振动模态特性以及感测电极不同配置时电荷的分布和电压的大小进行了分析,从而确定其几何尺寸和灵敏度较高时的感测电极配置,为后续的电路设计提供了参考。分析结果对预测谐振频率及性能参数、及时发现设计缺陷、缩短设计周期具有重要意义。

关键词：石英陀螺有限元法模态分析

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浅析微机械石英陀螺敏感元件的设计与制造

现代职业教育 2016年第35期 98-99页

作者：袁宏培安徽六安技师学院

微机械技术是一种新型机械生产技术形式,微机械石英陀螺敏感元件基于传统机械零件生产的基础上,采用石英作为新的机械加工零件材质,提高了零件生产的精确性,为我国现代机械制造的进一步技术探究提供了发展的新空间,结合微机械石英陀螺... 详细信息

微机械技术是一种新型机械生产技术形式,微机械石英陀螺敏感元件基于传统机械零件生产的基础上,采用石英作为新的机械加工零件材质,提高了零件生产的精确性,为我国现代机械制造的进一步技术探究提供了发展的新空间,结合微机械石英陀螺敏感元件设计原理,对我国微机械技术生产的技术进行分析,促进现代机械生产技术的创新发展。

关键词：微机械石英陀螺敏感元件