硅微机械陀螺仪结构中的电容分析

硅微机械陀螺仪结构中的电容分析（精选5篇）

篇1：硅微机械陀螺仪结构中的电容分析

硅微机械陀螺仪结构中的电容分析

为减小杂散电容提高信噪比,分析了硅微机械陀螺仪结构中的电容.并以某硅微机械陀螺仪的理论模型为对象,建立了陀螺仪结构中的电容模型.对每种电容进行了理论分析,并借助电路仿真软件对模型进行了仿真,分析了杂散电容对输出的.影响,结果表明布线与活动结构间的电容对输出有很大的影响.提出了采用新工艺和合理的布线方法减小与活动结构间的电容,从而提高信噪比.

作 者：施芹 王寿荣 杨波 SHI Qin WANG Shou-rong YANG Bo  作者单位：东南大学,仪器科学与工程系,江苏,南京,210096 刊 名：测控技术  ISTIC PKU英文刊名：MEASUREMENT & CONTROL TECHNOLOGY 年，卷(期)： 24(11) 分类号：V241.5+54 O472 关键词：硅微机械陀螺仪   信噪比   杂散电容   电容模型  

篇2：硅微机械陀螺仪结构中的电容分析

旋转载体用硅微机械陀螺的相位研究

介绍了利用旋转栽体自身旋转作为驱动力的硅微机械陀螺的`相位提取技术.当陀螺的敏感轴平行于载体偏转平面时,硅摆所受的哥氏力最大,输出为正弦信号的峰值;当它的敏感轴和偏转平面垂直时,输出为正弦信号的零值.因此,以载体的自转信号为基准,通过比较输出信号波峰在输入基准坐标中相位的变化可知敏感轴的方向,进而能够确定旋转平面及栽体在空间中的偏转方向.

作 者：王领 张金科 张福学 WANG Ling ZHANG Jin-ke ZHANG Fu-xue 作者单位：北京信息工程学院传感技术研究中心,北京市传感器重点实验室,北京,100101刊 名：微纳电子技术 ISTIC PKU英文刊名：MICRONANOELECTRONIC TECHNOLOGY年，卷(期)：44(7)分类号：V241.5关键词：旋转载体 硅微机械 陀螺仪 相位

篇3：硅微陀螺仪的正交误差控制分析

1 硅微陀螺仪正交误差形成的原因

1.1 陀螺仪的等级

国际上陀螺仪根据性能的不同可以划分为三个等级:惯性级、战术级和速率级, 划分标准如表1所示。

1.2 误差源及机理分析

硅微陀螺仪大部分处于中等精度。国内硅微机械加工工艺还无法达到速率级的精度要求, 从工艺上来说在短时间内很难有重大突破, 因此从减少加工误差角度来说, 合理设计硅微陀螺仪结构才是比较有效率的突破口。硅微陀螺仪的结构性误差主要包括工艺离散性误差和原理性误差。

(1) 原理性误差与加工、测试、装配、使用等后续因素无关, 主要受陀螺仪的结构形式和工作原理影响。原理性误差主要表现在两方面:一是角速度和角加速度造成的误差, 二是惯性矩不确定性引入的误差。但是通过完整的动力学方程式, 可以优化陀螺仪的结构设计和参数, 减少和控制硅微陀螺仪的原理性误差, 所以在实际生产过程中, 控制原理性误差对于提高硅微陀螺仪的精度成效不大。

(2) 硅微陀螺仪的加工误差。国内硅微机械陀螺仪的加工技术和工艺相对来说还不够成熟, 加之影响加工效果的因素多种多样, 例如硅微陀螺仪的加工形位误差、尺寸误差, 硅等材料制备水平等, 所以想要完全避免是不可能的, 只能通过合理的结构设计和精密的加工工艺进行有效弥补。硅微陀螺仪的工艺离散性误差源主要有两点:一是生产过程中受力不平衡, 比如电级间隙引起的静电失衡;二是由于正交误差。这里只分析四种对正交误差影响比较大的因素。

a.陀螺仪的稳定性, 即陀螺的自转轴具有抵抗干扰力矩, 保持惯性, 稳定的朝着指定方向运转, 也叫定轴性。但是在实际生产、加工过程中, 受很多客观因素的影响, 如加工水平、材质、支承摩擦等, 会引入干扰力矩使陀螺仪出现进动漂移, 自转轴就会和原来的惯性空间方位出现偏离, 影响陀螺仪的稳定性。例如, 当生产工艺导致陀螺仪环形振子密度和质量不均匀时, 环形振子的转动惯量就无法保持一致性, 从某种方面来说相当于产生了影响陀螺稳定性的干扰力矩, 陀螺仪就会出现进动漂移, 检测电容也会随之发生变化, 陀螺仪就会出现误差。

b.陀螺仪环形振子品质因数的差异。受迫振动系统品质因数, 表征了一个周期内由于阻尼的存在导致的振动能量损耗的快慢。它是与系统内部性质有关的量, 以振动环形硅微陀螺仪为例, 在理想情况下振动能量沿圆周角均匀消耗, 但是实际阻尼的存在会减缓振幅。当陀螺仪的环形振子品质因数沿圆周角无法保持一致时, 驻波就会出现漂移, 陀螺仪随之会出现误差。以环形振子为例, 设Q为品质因数, W为为谐振子固有频率, T为时间常数, 则品质因数Q=WT, 而阻尼会直接影响时间常数T的大小, 因此不同的阻尼值会使振子的振幅发生变化, 导致陀螺仪产生误差。

c.陀螺仪环形振子电极形状加工引致的误差。振动环形陀螺仪的运行机理是通过敏感电极板间电容的变化来反应振型与振子位置变化的信息。所以如果电级板贴合不够严密时, 在环形振子与电极板之间就会存在间隙, 所检测到的电容信号就会夹杂噪声, 振动环形陀螺仪本身电容的输出信号就相对较弱, 加工误差就会对电容影响相对增大, 导致误差出现的可能性大大增加。

d.陀螺仪振子质心偏离支撑中心引起的误差。当环形振子绕中心定轴以固定角度旋转时, 由于重力的作用, 会导致不平衡力矩的存在, 不平衡力矩会影响环形振子的惯性, 进而影响环形振子的势能发生变化。环形振子势能引入了不确定因素, 就会导致误差的产生。

2 硅微陀螺仪正交误差的控制方法

硅微陀螺仪误差产生的因素很多, 其中陀螺仪性正交误差影响最大, 它与有用信号同频且相位相差90, 并远大于有用信号。

2.1 纠偏法

纠偏法的原理是施加静电力将质量块“拉回”到中心位置, 避免由于正交误差引起的在敏感轴方向的偏移, 以此消除正交误差。在此原理的指导下, 可以在陀螺仪上加入两块反馈电极, 保证电极上的直流偏置交流电压与驱动电压同频, 就可以通过改变电压大小来控制质量块上的静电, 达到消除正交误差的目的。

2.2 结构解耦

结构解耦就是通过削弱或消除驱动模态和敏感模态之间的相互干扰, 从而减小正交误差。随着研发技术的不断进步, 目前结构解耦陀螺仪已有多种, 其原理就是相对于整体式陀螺仪, 结构解耦陀螺仪的驱动和敏感部分通过两组支承梁互相隔离, 从而大大减小了驱动模态与敏感模态之间的耦合。

2.3 相干检测

正交误差与有用信号相差90°, 为了确保结果的准确性, 可以采用调制解调方法提取有用信号。其原理如图1所示。

由于有用信号与驱动速度成正相关性且正交误差与驱动位移成正相关性, 输入信号和参考信号经过乘法器和低通滤波后, 参考信号的相位与有用信号的相位一致时, 误差完全消除, 如果两者差异很大, 为了确保信息的准确性, 在使用相干检测时, 应该保证参考信号和有用信号的一致。但在实际操作中参考信号与有用信号的相位一致性很难保持, 因此采用相干检测法消除正交误差还有待改进。

2.4 自适应控制理论

自适应控制理论就是基于陀螺仪的非理想运行情况下, 对造成误差的各种因素造成的数据差进行动态分析, 再以正交误差和能量补偿的一种方法, 其原理如图2所示。

自适应控制系是一种能时变反馈的现行线性系统。它会在实际的基础上, 多方位考虑可能存在的影响因素, 自动校正控制工作, 使系统达到最优或接近最优的控制效果。

3 控制方法的优劣分析

以上四种方法虽能有效地抑制正交误差, 但也有局限性, 例如纠偏法受加工误差的影响很难完全避免;相干检测会加大陀螺仪的体型, 即增加成本, 又限制其使用范围;结构解耦虽然有一定成效, 但不利于一些相对成熟结构的进一步研发。影响正交误差的主要原因就是加工工艺, 因此想要真正降低正交误差, 提高硅微陀螺仪的加工精度是重要突破口。只是提高工艺需要耗费大量的财力与物力, 且短时间内难进成效。陀螺仪支承结构的变化会产生很大的正交误差, 所以要注重对支承结构形式和其相关参数的试验探索, 提升加工精确度, 降低陀螺仪的加工误差。硅陀螺的精度以及误差控制的优劣对多节点网络舞蹈动作采集评价系统有直接的影响。

摘要：本文对影响硅微陀螺仪的正交误差的主要因素进行了全面分析, 并论述了如何减小由加工带来的正交误差。

关键词：硅微陀螺仪,正交误差控制,精度

参考文献

[1]陈怀, 张嵘, 周斌, 陈志勇.微机械陀螺仪温度特性及补偿算法研究[J].传感器技术, 2014 (10) :224-226.

[2]李大威, 郭圣权.微硅陀螺静态漂移自回归模型辨识研究[J].计测技术, 2005 (6) :124-126.

[3]赵阳, 裘安萍, 施芹等.微机械陀螺检测接口建模及前置放大器优化[J].光学精密工程, 2013 (21) :314-315.

[4]刘危, 解旭辉, 李圣怡.微机械惯性传感器的技术现状及展望[J].光学精密工程, 2013 (5) :425-431.

篇4：硅微机械陀螺仪结构中的电容分析

关键词：双质量硅微机械陀螺；电耦合信号；温度效应；特性内容；现状分析

前言：利用硅微机械陀螺的实际构造结构和工作原理进行融合分析，并开放静电驱动设备实现系统动力中心的检测，保证在此基础上的固有运作频率能够满足实际设备驱动的稳定效果，配合机械现实灵敏感应能力进行电耦合误差基础资料的整理。在误差影响因素相对齐全的前提下，利用驱动频率调制整改技术进行电耦合信号消除方案的整理，并联合适当的电路原理知识进行验证。

1.我国硅微机械陀螺仪研究技术的现状

根据国内各大知名院校的总体努力，对MEMS的基础技术原理和应用改革做了必要的调整，尽管一切操作支持活动还只是停留在实验室样机试用状态，但实际的陀螺仪温度稳定维持能度基本可以控制在每小时30度左右。针对现下需要解决的实际问题就是全面拆解密闭腔内的电耦合误差布局，争取对温度误差分布规律做到足够详细的处理，避免技术工艺的重复性覆盖，全面支撑电路的可靠运行以及周围温度环境的适应能力。

1.1.电耦合误差现状的分析

硅微机械在振动式陀螺仪结构上做了一系列的调整，并且适当引用电路布局电容的实际状况资料，实现驱动装置位移条件下的具体敏感输出信号的格式把握。主要包括驱动位移状况和输入角终端的敏感信号的电耦合隐患问题，在整体陀螺仪装置的信号输出环节中进行解析，其中可以作为利用的信号在输入角速度的呼应标准并不是相当明确。在实际的电路运行结构中，这部分产生的信号十分微弱，极易成为电耦合噪声环境背后的覆盖牺牲者，并且长期得不到全面挖掘[1]。

1.2.温度误差问题的补充

在整体测控电路内部建立微弱信号检测电路设备，因为温度误差因素会使陀螺仪的实际零位发生具体位置的偏移现象，内部品质因数也同时产生一定格局的变化，加上干扰敏感因素的混乱性输出，造成机械陀螺仪信号输出性能受到强大不良因素的制约抗拒。为了尽量维持硅微机械振动式陀螺仪的温度环境适应效果，争取其稳定工作条件的效能，就必须充分掌握陀螺仪运行状态下的温度误差隐患分布规律，主动从单个细致环节中探寻温度误差的控制改善技术。在惯性导航系统的精度规范环境控制下，陀螺仪的温度问题愈演愈烈，为了校正补偿和控制两个范围的工序，需要利用一定规模的平台多级温控措施进行分区、分段策略的补充[2]。现在我国常用的调整方法主要是利用传统的PID数字技术控制手段进行模糊因素优化处理，实现现在国内实际的陀螺仪装置的温度在60摄氏度之间零上范围。

2.频率调制驱动技术和温度因素相结合的策略内容整理

2.1.电耦合误差的改善手段

为了获得优质的频率响应效果，在实际进行硅微型陀螺仪装置的设计过程中，可以利用驱动支持引导信号与陀螺仪之间存在的固有频率值进行相近处理调整，与检测模态的固有频率相接近。温度条件下的固有频率分布改进状况如下表所示：

表1 温度条件下的机械陀螺固有频率分布状况记录表

模态编号序列频率值f/kHz

11.4789

24.5613

34.7264

44.7219

57.6418

67.6452

2.2.基于温度传感器的实际温度效应补偿

温度控制技术的方案内容主要是利用半导体制冷片的恒温控制效果进行陀螺仪装置和测控电路和单元结构封装隔热效能搭配，争取挽留密闭空间环境的适应成果。但是，高温长期作用会给机械热噪声和部件热噪声带来放纵性延展，造成元器件的负荷运转，长期作用下去将直接导致工作性能质量的下降。而利用适当温度调整技术的传感器补偿装置，在适量分担电路结构功耗和小型化整改的前提下，避免对元器件性能的损耗，因此实际应用前景比较广阔。集成性的温度传感装置在均衡数字、模拟应用方案的利弊状况前提下，配合机械振动陀螺仪的实际应用拓展环境和信号施展的线性效果进行结构体积的准确校正，并深度阐述陀螺仪结构和测控电路的延伸效能，满足模拟温度传感控制结构的实时性能补充和调整需要。模拟温度技术的传感装置实际精度落实效果较好，同时结构体积不大，加上一系列线性维度和无外围电路附加优势的积累，对于小型规模的机械系统测量起到必要的支持潜力，构成精准效果优质的自动型控制系统[3]。尤其是在反馈终端，产出的信号格式能够自动控制选频，利用实际驱动模态和敏感效应监测工序的联合效应，使得谐振频率终于能够摆脱温度隐患问题。

结语：

经过后期的技术改正，我国硅微机械陀螺结构的良性运转得到改善，同时克服不同信号模式和位置的不定温度因素的隐患效应，争取整体机械合理稳定运行的维持条件，促进计算机智能分析技术的不断进步，维持我国后期先进性能机械运转工作质量的不断提升潜力。

参考文献：

[1]王寿荣.Z轴硅微机械陀螺仪温度特性研究[J].电子器件，2008，12（06）.

[2]朱欣华.MEMS陀螺仪器件级真空封装技术[J].光学精密工程，2009，17（08）.

篇5：微机械陀螺仪的微结构分析与设计

微机械陀螺仪的微结构分析与设计

针对基于微米技术的.微机械陀螺检测功能微弱的现象,本文建立了振动轮式微机械陀螺仪的机电系统动力学模型.经对某微陀螺结构的仿真计算发现,哥氏阻尼力随激励哥氏力增大而增大,造成电容检测信号极为微弱,无论激励的幅度和频率如何.为此,本文给出了一种新型振动轮式微陀螺结构,可减小哥氏阻尼力,相对增大了激励哥氏力.这种新型结构显著增强了电容检测信号,而且具有双轴微陀螺功能、对耦合线加速度不敏感等特点.

作 者：贾建援 王志荣 冯小平 作者单位：贾建援,王志荣(西安电子科技大学机电工程学院)

冯小平(西安电子科技大学电子工程学院)

刊 名：仪器仪表学报  ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT 年，卷(期)： 22(5) 分类号：V24 关键词：微机械陀螺仪   微电子机械系统   微惯量测量组合   机电系统动力学   微结构设计