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高精度MEMS硅微陀螺仪正交误差设计

微纳电子技术 2022年第8期59卷 795-800,830页

作者：董晓亮张志勇杨拥军中国电子科技集团公司第十三研究所石家庄050051

正交误差是影响振动式硅微陀螺仪测量精度的主要因素之一,设计并制备了一种具有正交误差校正功能的高精度振动式微电子机械系统(MEMS)硅微陀螺仪。阐述了振动式硅微陀螺仪的工作原理,分析了正交误差产生的机理,并介绍了正交误差对陀螺... 详细信息

正交误差是影响振动式硅微陀螺仪测量精度的主要因素之一,设计并制备了一种具有正交误差校正功能的高精度振动式微电子机械系统(MEMS)硅微陀螺仪。阐述了振动式硅微陀螺仪的工作原理,分析了正交误差产生的机理,并介绍了正交误差对陀螺仪测量精度的影响。为了进一步提升陀螺仪的测量精度,利用直流负刚度校正法对陀螺仪正交误差进行了校正,并通过有限元仿真确定了高精度陀螺仪敏感结构的最优参数。利用圆片级真空封装技术和绝缘体上硅(SOI)工艺实现了高精度陀螺仪敏感结构芯片的制备,采用高密度LCC20陶瓷管壳实现了高精度陀螺仪的集成封装。陀螺仪封装后,整体尺寸为9.0 mm×9.0 mm×2.8 mm。测试了陀螺仪的性能参数。测试结果表明,陀螺仪量程为±500°/s,零偏不稳定性为1.052°/h,零偏为0.004°/s,能够满足陀螺仪大部分中低精度应用需求。

关键词：微电子机械系统(MEMS) 硅微陀螺仪正交误差有限元仿真真空封装绝缘体上硅(SOI)

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硅微陀螺仪零偏温度性能补控方法设计

东南大学学报（自然科学版） 2012年第2期42卷 290-294页

作者：夏敦柱王寿荣周百令东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096

首先从理论上推导了硅微陀螺仪谐振频率、品质因数、敏感信号输出及机械热噪声与温度之间的关系,进而说明了温度对陀螺仪零偏输出影响是各非线性因素综合作用的结果.然后,通过部分温度特性试验获得了硅微陀螺仪的模态谐振频率和品质因... 详细信息

首先从理论上推导了硅微陀螺仪谐振频率、品质因数、敏感信号输出及机械热噪声与温度之间的关系,进而说明了温度对陀螺仪零偏输出影响是各非线性因素综合作用的结果.然后,通过部分温度特性试验获得了硅微陀螺仪的模态谐振频率和品质因数随温度变化关系曲线.最后,根据实测零偏试验数据给出了分段多项式温度补偿方法,并进一步结合恒温控制方法改善补偿一致性效果,从而保证硅微陀螺仪硅结构体及其驱动检测电路不受外界温度变化的影响.结果表明,温补和温控技术相结合对提高陀螺仪的零偏稳定性有显著效果.

关键词：硅微陀螺仪零偏输出温度补偿温度控制

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硅微陀螺仪的正交误差分析

中国机械工程 2007年第10期18卷 1182-1185页

作者：杨波周百令东南大学南京210096

推导了双框架式硅微陀螺仪驱动模态和检测模态的运动方程,定义了驱动位移和敏感位移。在此基础上,利用弹性主轴原理,分别推导了内外框弹性主轴偏转产生的正交误差信号表达式及正交误差信号和敏感信号的比值表达式。分析结果表明,双框架... 详细信息

推导了双框架式硅微陀螺仪驱动模态和检测模态的运动方程,定义了驱动位移和敏感位移。在此基础上,利用弹性主轴原理,分别推导了内外框弹性主轴偏转产生的正交误差信号表达式及正交误差信号和敏感信号的比值表达式。分析结果表明,双框架式硅微陀螺仪内外框弹性主轴发生偏转时,都将产生正交误差位移,且双框架式硅微陀螺仪产生的正交误差位移数值相当于单框架式硅微陀螺仪正交误差位移的两倍。测定了双框架式硅微陀螺仪的正交误差,正交误差信号,其值为431°/s,此时偏转角度仅为0.0196°。

关键词：硅微陀螺仪正交误差信号弹性主轴驱动模态检测模态

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硅微陀螺仪正交误差校正系统的分析与设计

中国惯性技术学报 2013年第6期21卷 822-827页

作者：王晓雷杨成李宏生东南大学仪器科学与工程学院南京210096 微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096

由于加工误差的存在,硅微陀螺仪驱动和检测模态之间不可避免会产生正交耦合误差,对性能造成了一定影响。为了提高硅微陀螺仪性能,提出了正交误差校正的控制方案。首先,分析了硅微陀螺仪正交误差的产生原因,指出了对正交误差校正的重要性... 详细信息

由于加工误差的存在,硅微陀螺仪驱动和检测模态之间不可避免会产生正交耦合误差,对性能造成了一定影响。为了提高硅微陀螺仪性能,提出了正交误差校正的控制方案。首先,分析了硅微陀螺仪正交误差的产生原因,指出了对正交误差校正的重要性;其次,阐述了在结构上增加电极抑制正交误差的原理;然后,设计了正交误差信号提取电路和正交误差反馈控制校正系统,分析了闭环控制系统性能;最后,设计了实验验证方案。结果表明,零偏电压从校正前的5.14 mV减小到校正后的1.43mV,零偏稳定性从校正前的18.22(o)/h减小到校正后的15.45(o)/h。因此,该正交误差校正方案能够有效地消除零偏信号中解调残余正交分量,从而提高硅微陀螺仪性能。

关键词：硅微陀螺仪正交误差校正系统检测模态

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硅微陀螺仪的建模

西安电子科技大学学报 2007年第2期34卷 227-232页

作者：单光宝杨银堂刘佑宝朱樟明西安微电子技术研究所陕西西安710054 西安电子科技大学微电子研究所陕西西安710071

提出了硅微陀螺仪的集总建模方法.该方法将硅微陀螺仪划分为多个相互关联的基本单元,各基本单元的行为特征被集总到单元的节点端口上,并表征为矩阵形式.将根据物体相对运动理论,从基本单元的解析方程出发,给出了建立硅微陀螺仪基本单元... 详细信息

提出了硅微陀螺仪的集总建模方法.该方法将硅微陀螺仪划分为多个相互关联的基本单元,各基本单元的行为特征被集总到单元的节点端口上,并表征为矩阵形式.将根据物体相对运动理论,从基本单元的解析方程出发,给出了建立硅微陀螺仪基本单元模型的一般方法,并以Verilog-A为模型编码语言实现了硅微陀螺仪参数化的基本单元模型.在Cadence Spectre上进行了仿真验证,频域仿真结果与ANSYS计算结果相差在1%以内;时域仿真结果表明利用该系统级模型能够快速进行复杂机电一体仿真.

关键词：微电子机械系统集总建模微电子机械系统系统仿真硅微陀螺仪

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硅微陀螺仪驱动模态离散控制分析

中国惯性技术学报 2015年第6期23卷 780-785页

作者：杨成李宏生东南大学仪器科学与工程学院南京210096 东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096

针对硅微陀螺仪数字控制系统,为了有效控制陀螺仪的驱动模态,采用离散域(Z域)分析方法,全面分析、研究并实现了基于数字锁相环(DPLL)和数字自动增益控制的(DAGC)驱动模态控制。分别建立了基于离散域分析的相位控制模型和幅度控制模型,... 详细信息

针对硅微陀螺仪数字控制系统,为了有效控制陀螺仪的驱动模态,采用离散域(Z域)分析方法,全面分析、研究并实现了基于数字锁相环(DPLL)和数字自动增益控制的(DAGC)驱动模态控制。分别建立了基于离散域分析的相位控制模型和幅度控制模型,给出了相应稳定控制的参数条件,并且进行了仿真验证。最后设计了一种基于FPGA的数字化双闭环驱动控制电路。试验结果表明,室温条件下,驱动检测幅度相对变化量小于2′10^(-5),在温度变化-40℃~60℃条件下,驱动频率与自然频率的最大相对误差为8′10-6数量级,频率跟踪特性和幅度控制稳定性均达到了良好的效果。试验验证了硅微陀螺仪驱动模态全数字化分析的可行性。该数字控制系统方案实现了陀螺驱动模态的高精度控制。

关键词：硅微陀螺仪数字锁相环数字自动增益控制 FPGA 离散域分析

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硅微陀螺仪接口电路分析

仪器仪表学报 2006年第7期27卷 754-758页

作者：杨波周百令东南大学南京210096

建立了某硅微陀螺仪的等效电路,分析了寄生电容对接口电路的影响。结果表明,合理的接口电路不仅消除了大部分寄生电容的影响,而且减小了信号的衰减幅度,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号。最后对接口电路进行了改进,保留了以上的优点,... 详细信息

建立了某硅微陀螺仪的等效电路,分析了寄生电容对接口电路的影响。结果表明,合理的接口电路不仅消除了大部分寄生电容的影响,而且减小了信号的衰减幅度,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号。最后对接口电路进行了改进,保留了以上的优点,减小了载波信号的变化和电源变化对分辨率的影响,提高了整个电路的分辨率。

关键词：硅微陀螺仪接口电路寄生电容分辨率

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硅微陀螺仪闭环校正控制系统设计

纳米技术与精密工程 2010年第4期8卷 368-373页

作者：杨波王寿荣黄丽斌东南大学仪器科学与工程学院南京210096 微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096

为了提高硅微陀螺仪的精度,对硅微陀螺仪的闭环校正控制系统进行了研究.首先,推导了简化的开环系统传递函数,分析表明为了防止谐振峰值的出现,相对频差δf必须小于等于1/(2Qy).其次,利用反馈力矩器的负刚度效应,消除两模态的相对频差,... 详细信息

为了提高硅微陀螺仪的精度,对硅微陀螺仪的闭环校正控制系统进行了研究.首先,推导了简化的开环系统传递函数,分析表明为了防止谐振峰值的出现,相对频差δf必须小于等于1/(2Qy).其次,利用反馈力矩器的负刚度效应,消除两模态的相对频差,提高系统的机械灵敏度.最后,在无频差情况下,设计一个带有无源阻抗网络的比例-积分-微分(proportion-integration-differentiation,PID)校正环节,校正后系统的相角裕度为52°,幅值裕度为18dB,闭环带宽为931 rad/s,实现了闭环系统校正.仿真和实验表明闭环校正电路是可行的.相对于开环检测,闭环校正系统的量程增加了1.6倍,标度因数非线性减小了45.6倍,零偏稳定性提高了2.56倍.同时,标度因数对称性、标度因数重复性、阈值和分辨率等性能都得到较大改善.

关键词：硅微陀螺仪闭环校正控制负刚度效应相角裕度幅值裕度

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硅微陀螺仪接口位移噪声对检测性能的影响

固体电子学研究与进展 2009年第3期29卷 455-459页

作者：杨波王寿荣周百令东南大学仪器科学与工程学院微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096

研究了基于调制解调的硅微陀螺仪检测信号提取原理,推导了开环检测传递函数。根据调制解调的频谱转移特性,提出了有效位移噪声是高斯窄带噪声。推导了开环检测时位移噪声的等效角速度公式,分析表明,要提高噪声性能可以减小噪声功率密度... 详细信息

研究了基于调制解调的硅微陀螺仪检测信号提取原理,推导了开环检测传递函数。根据调制解调的频谱转移特性,提出了有效位移噪声是高斯窄带噪声。推导了开环检测时位移噪声的等效角速度公式,分析表明,要提高噪声性能可以减小噪声功率密度、带宽和增加陀螺仪机械灵敏度。同时还推导了闭环检测时位移噪声的等效角速度公式。通过比较开环检测和闭环检测情况下由接口位移噪声导致的噪声等效角速度表明:闭环检测并不能减少由接口位移噪声导致的平均噪声等效角速度。据此设计实际电路,试验结果表明在100Hz频段内,闭环检测噪声谱密度基本等于开环检测噪声谱密度,验证了理论的正确性。

关键词：硅微陀螺仪位移噪声噪声谱密度闭环检测