微半球谐振陀螺电极间隙高精度检测与调整方法

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作者 王大志 胡鑫 +3 位作者 李义康 刘犇 王曦 梁世文 《中国惯性技术学报》 北大核心 2025年第1期82-88,共7页

微半球谐振陀螺的电极间隙一致性直接影响陀螺的输出性能,为满足陀螺的高精度间隙调整,利用静电电容检测的方法对电极间隙进行表征,并通过精密位移调节陀螺电极间隙。构建了陀螺装配误差模型,仿真分析装配误差对周向静电电容的影响,设... 微半球谐振陀螺的电极间隙一致性直接影响陀螺的输出性能,为满足陀螺的高精度间隙调整,利用静电电容检测的方法对电极间隙进行表征,并通过精密位移调节陀螺电极间隙。构建了陀螺装配误差模型,仿真分析装配误差对周向静电电容的影响,设计开发了高精度多通道电容同步检测电路,测量精度误差<1.8%,重复测试偏差<6%,实现了静电电容的高精度测量。搭建了高精度陀螺装配实验平台,基于采集的周向电容,微调电极间隙,降低周向电容的离散程度。最终完成陀螺高精度装配与固定。实验结果表明,陀螺周向间隙误差≤5.6%,周向静电电容标准差为14.47fF,离散系数为5.5%,装配精度显著提高。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺 静电电容 间隙调整 多通道电容同步检测

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微半球谐振陀螺技术研究进展 被引量：7

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作者 汪红兵 林丙涛 +2 位作者 梅松 江黎 蒋春桥 《微纳电子技术》 北大核心 2017年第11期772-780,共9页

首先介绍了微半球谐振陀螺(μHRG)基于驻波进动效应进行角度或角速度检测的工作原理。依据谐振子制作工艺的区别,将微半球谐振陀螺分为微玻璃吹制型、牺牲层型、精加工型三种,并对上述三种类型微半球谐振陀螺的加工工艺方案及特点、谐... 首先介绍了微半球谐振陀螺(μHRG)基于驻波进动效应进行角度或角速度检测的工作原理。依据谐振子制作工艺的区别,将微半球谐振陀螺分为微玻璃吹制型、牺牲层型、精加工型三种,并对上述三种类型微半球谐振陀螺的加工工艺方案及特点、谐振子尺寸、陀螺或谐振子性能参数的国内外研究成果进行了详细阐述。简要对比分析了三种类型微半球谐振陀螺的优缺点,如潜在精度、体积、成本、与IC可集成性、批量化前景等,指出了微半球谐振陀螺目前面临的主要工艺技术问题,并针对此从工艺方案设计、工艺参数优化等方面提出了一些可能的技术解决途径。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺(μHRG) 玻璃吹制 牺牲层 精加工 Q值 各向同性刻蚀

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一种微半球谐振陀螺的制造方法与测试 被引量：7

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作者 卢坤 肖定邦 +3 位作者 孙江坤 石岩 席翔 吴学忠 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第5期561-567,共7页

针对无人装备对惯性器件微小型化的需求,设计了一种新型的速率积分型微半球谐振陀螺。该陀螺设计有均匀分布的灵敏度放大单元,可提升驱动与检测效率。谐振结构采用高温旋转吹制技术加工,整体结构为面外电极形式,并采用圆片级微组装工艺... 针对无人装备对惯性器件微小型化的需求,设计了一种新型的速率积分型微半球谐振陀螺。该陀螺设计有均匀分布的灵敏度放大单元,可提升驱动与检测效率。谐振结构采用高温旋转吹制技术加工,整体结构为面外电极形式,并采用圆片级微组装工艺装配。针对微半球谐振陀螺存在的初始频率裂解,提出了一种精密机械修调方法,可实现0.1 Hz内精度频率匹配修调。在此基础上,基于速率积分控制原理设计制造了陀螺的数字化测控电路。真空封装后陀螺工作频率约为6602 Hz,频率裂解为49 mHz,品质因数高于90万,衰减时间常数可达40 s。首次系统性测试了速率积分模式微半球谐振陀螺的综合性能,测试结果表明,陀螺零偏不稳定性(Allan方差)为0.235°/h,角度随机游走为0.0066°/h1/2,量程可高达±3000°/s,标度因数非线性优于8 ppm,标度因数对称性优于5 ppm,标度因数重复性优于1 ppm。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺 速率积分模式 熔融石英 飞秒激光修调 品质因数

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基于HNA溶液腐蚀的微半球谐振陀螺研究进展 被引量：1

4

作者 郑显泽 唐彬 +1 位作者 王月 熊壮 《太赫兹科学与电子信息学报》 北大核心 2020年第3期538-544,共7页

基于微电子机械系统(MEMS)加工技术的微半球谐振陀螺在吸收了传统半球陀螺全角测量优势的同时具有体积小,质量轻,成本低以及适合批量化生产的特点。在使用牺牲层法来制备微半球壳层结构的过程中,如何在单晶硅上制作一个表面光滑的、结... 基于微电子机械系统(MEMS)加工技术的微半球谐振陀螺在吸收了传统半球陀螺全角测量优势的同时具有体积小,质量轻,成本低以及适合批量化生产的特点。在使用牺牲层法来制备微半球壳层结构的过程中,如何在单晶硅上制作一个表面光滑的、结构整体对称性高的半球型模具对于半球谐振子的性能有决定性的影响。在HNA(氢氟酸、硝酸、醋酸)各向同性腐蚀液制作微半球谐振子模具的原理基础上,介绍基于HNA溶液各向同性腐蚀的微半球谐振陀螺研究进展,指出了各向同性腐蚀工艺目前所面临的主要技术问题,并对此提出了一些可能的解决途径。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺 各向同性腐蚀 HNA溶液 单晶硅 半球谐振子

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基于多通道锁相放大器的硅微半球谐振陀螺性能测试方法 被引量：2

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作者 顾宏华 万泉 徐大诚 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2018年第12期9-13,共5页

针对硅微半球谐振陀螺的性能评测问题,研究了一种利用多通道锁相放大器(HF2LI)的快捷、有效测试方法。该方法首先利用多通道锁相放大器对硅微半球陀螺进行扫频,得到硅微半球陀螺的谐振频率和两模态的频差。再记录硅微半球陀螺谐振信号... 针对硅微半球谐振陀螺的性能评测问题,研究了一种利用多通道锁相放大器(HF2LI)的快捷、有效测试方法。该方法首先利用多通道锁相放大器对硅微半球陀螺进行扫频,得到硅微半球陀螺的谐振频率和两模态的频差。再记录硅微半球陀螺谐振信号的衰减过程,通过MATLAB指数拟合,从而求得硅微半球陀螺的品质因数。再对调谐电极和模态电极同时施加直流偏压可实现两模态匹配,进而利用该锁相放大器的解调、PLL、PID等模块构建驱动闭环和敏感开环检测系统,测得硅微半球陀螺的标度因数和零偏不稳定性等参数。测试结果表明,该方法具有简单、快捷和有效等特点,可广泛应用于MEMS谐振器件的性能参数测试。 展开更多

关键词 硅微半球谐振陀螺 多通道锁相放大器 参数测试

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微半球谐振陀螺角速度解算优化与噪声抑制方法研究 被引量：1

6

作者 陈洋 丁徐锴 李宏生 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2023年第6期13-17,共5页

由于微半球谐振陀螺在常规角度解算方法下角度信号会发生突变,导致角速度信号存在周跳现象,针对这一现象,采用一种基于偏导法的角速度解算方法消除跳点,并通过仿真和实验进行了验证。由于硬件噪声以及差分输出等因素,陀螺输出角速度信... 由于微半球谐振陀螺在常规角度解算方法下角度信号会发生突变,导致角速度信号存在周跳现象,针对这一现象,采用一种基于偏导法的角速度解算方法消除跳点,并通过仿真和实验进行了验证。由于硬件噪声以及差分输出等因素,陀螺输出角速度信号噪声较大,针对这一问题,利用自抗扰控制算法抑制噪声,从理论上分析了降噪算法的可行性,并通过仿真和实验进行了验证。设计相应的测控电路进行性能测试,实验结果显示,使用偏导法进行角速度解算消除了原始信号中的跳点现象,使用自抗扰控制算法明显降低了角速度信号的噪声,改进后的零偏稳定性提高了25.63%,角度随机游走降低了83.89%。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺 角速度 跳点 优化算法 自抗扰控制 噪声

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MEMS微半球谐振陀螺的力反馈模态及其FPGA平台实现 被引量：8

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作者 孙殿竣 张卫平 +3 位作者 唐健 邢亚亮 欧彬 刘朝阳 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2017年第6期141-144,149,共5页

MEMS(micro-electro-mechanical system)微型陀螺仪具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点,MEMS微半球谐振陀螺是MEMS微陀螺领域的研究热点,文中分析了微半球谐振陀螺的工作原理以及检测方法。针对MEMS微半球谐振陀螺高工作频率,高... MEMS(micro-electro-mechanical system)微型陀螺仪具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点,MEMS微半球谐振陀螺是MEMS微陀螺领域的研究热点,文中分析了微半球谐振陀螺的工作原理以及检测方法。针对MEMS微半球谐振陀螺高工作频率,高品质因数等特点,提供了一种数字式力反馈模式下的MEMS微半球谐振陀螺数字式闭环控制检测方案以及其FPGA平台硬件实现,完成目前MEMS微半球谐振陀螺的控制与检测工作。 展开更多

关键词 MEMS微半球谐振陀螺 力反馈 闭环控制 FPGA

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微半球谐振陀螺频率修调技术研究进展

8

作者 卢坤 肖定邦 +2 位作者 石岩 席翔 吴学忠 《微纳电子与智能制造》 2020年第4期59-64,共6页

微半球谐振陀螺是一种基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)工艺的高精度微陀螺,具有精度高、体积小、功耗低等显著优点,是高性能微机电陀螺的重要发展方向之一。目前,国内外报道的微半球谐振陀螺品质因数已超过500万... 微半球谐振陀螺是一种基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)工艺的高精度微陀螺,具有精度高、体积小、功耗低等显著优点,是高性能微机电陀螺的重要发展方向之一。目前,国内外报道的微半球谐振陀螺品质因数已超过500万,零偏不稳定性已达到导航级指标(0.01°/h),显示出了极大的性能潜力优势。随着微半球谐振陀螺结构尺寸与体积不断减小,其相对制造误差更加凸显,具体表现为陀螺工作模态频率裂解误差,这将直接导致陀螺输出零偏漂移与噪声增大,严重制约陀螺综合性能提升。频率修调技术是微半球谐振陀螺制造过程中的核心工艺之一,不同于传统的机械加工方法,受材料与结构尺寸限制,必须要开发新的修调工艺。介绍了多种微半球谐振陀螺的频率修调方法,对比分析了不同工艺特点,并对微半球谐振陀螺修调技术发展趋势进行了总结与展望。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺 频率裂解 模态匹配 频率修调

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基于Simulink的微半球谐振陀螺仪闭环控制

9

作者 朱建港 《导航与控制》 2024年第1期45-54,72,共11页

由于微半球陀螺仪的高品质因数特性,其在惯性精密导引领域优势显著,然而相关学术研究较少,尤其是专用集成电路(ASIC)方面。针对自主研发的微半球陀螺仪,建立了陀螺及其驱动和检测电路的Simulink仿真模型。首先,借助二维弹簧阻尼系统得... 由于微半球陀螺仪的高品质因数特性,其在惯性精密导引领域优势显著,然而相关学术研究较少,尤其是专用集成电路(ASIC)方面。针对自主研发的微半球陀螺仪,建立了陀螺及其驱动和检测电路的Simulink仿真模型。首先,借助二维弹簧阻尼系统得到了该陀螺仪的物理模型及其参数。实测结果显示,模型与实物之间的振动速率仅相差0.5185 mm/s,验证了模型的准确性。其次,提出了基于力平衡模式的锁相环(PLL)和自动增益控制(AGC)驱动回路以及检测回路的模型,并采用双相位锁定法进行幅度解调。最后,所得驱动回路模型频率与实际振动频率只差-0.1924 Hz,检测电路模型的标度因数为0.0311 V/[(°)/s],检测阈值为-0.0013(°)/s~0.0018(°)/s,相对其他模型改善了22.5%,所提出的微半球陀螺仪及其外围电路的精确模型建立方法和电路结构为后续ASIC设计奠定了基础。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺仪 SIMULINK 结构模型 闭环控制

原文传递

基于质量-刚度解耦的微半球谐振陀螺频差高精度修调方法

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作者 李斌 席翔 +6 位作者 卢坤 段京保 孙江坤 石岩 张勇猛 肖定邦 吴学忠 《中国科学：技术科学》 EI CSCD 北大核心 2023年第8期1400-1410,共11页

微半球谐振陀螺是最具发展潜力的高性能微机电系统(MEMS)陀螺之一,其工作时驱动、检测模态频率需要高度匹配,因此两个工作模态间的频差(频率裂解)是影响陀螺性能的关键因素.机械修调是调节频差的重要手段,其精度决定了模态匹配程度.通... 微半球谐振陀螺是最具发展潜力的高性能微机电系统(MEMS)陀螺之一,其工作时驱动、检测模态频率需要高度匹配,因此两个工作模态间的频差(频率裂解)是影响陀螺性能的关键因素.机械修调是调节频差的重要手段,其精度决定了模态匹配程度.通过飞秒激光去除质量调节模态频率是一种高效率、高精度的修调方法,但当谐振结构频差处于较小值(约100 mHz)时,观测到线性微质量去除难以进一步降低频差.本文重点针对该过程中的质量-刚度耦合现象开展研究,首先建立了微质量扰动下的质量-刚度耦合变化模型,然后通过有限元模型仿真分析了质量-刚度耦合对修调精度的影响,得到了不同直径与深度修调孔下的微量频差变化,结果揭示了修调孔直径对结构局部刚度的影响规律,以及修调孔深度对局部质量的影响规律.进一步的分析表明,当修调深度超过阈值时能够实现对质量-刚度影响的解耦,因此文中提出了基于质量-刚度解耦的高精度修调方法.最后,对该方法进行了实验验证,将微半球谐振陀螺的频差降低至7 mHz,有效提升了微半球谐振陀螺的机械修调精度. 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺 机械修调 质量-刚度耦合 飞秒激光修调

原文传递

表面金属化对微半球陀螺品质因数影响研究 被引量：1

11

作者 王振军 何汉辉 +3 位作者 李微 卢坤 石岩 肖定邦 《传感器与微系统》 CSCD 2019年第9期6-8,共3页

熔融石英谐振结构是微半球谐振陀螺的核心部件,为满足陀螺应用需求,需要对谐振结构进行表面金属化处理以增强其导电性。利用COMSOL软件对表面金属化后谐振结构的热弹性损耗进行了仿真和分析。结果表明:表面金属层会极大地增加谐振结构... 熔融石英谐振结构是微半球谐振陀螺的核心部件,为满足陀螺应用需求,需要对谐振结构进行表面金属化处理以增强其导电性。利用COMSOL软件对表面金属化后谐振结构的热弹性损耗进行了仿真和分析。结果表明:表面金属层会极大地增加谐振结构热弹性损耗,且表面金属层越厚,对热弹性品质因数影响越大。同时,对同一批次金属化后的微半球谐振结构进行了测试以及退火。测试结果表明:退火后谐振结构品质因数有显著提升,最高提升112. 63%。 展开更多

关键词 表面金属化 微半球谐振陀螺 品质因数

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基于SiO2掩膜层的硅基微半球谐振子模具加工工艺

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作者 郑显泽 李严军 +2 位作者 王月 唐彬 熊壮 《微纳电子技术》 北大核心 2020年第4期312-319,332,共9页

微半球模具的三维对称性对半球谐振子的性能有着决定性的影响。提出使用热氧化工艺生长的SiO2材料作为掩膜层,以达到在使用HNA腐蚀溶液制作微半球陀螺谐振子模具的过程中加快纵向腐蚀速率及实现半球模具三维对称的目的。详细研究了不同... 微半球模具的三维对称性对半球谐振子的性能有着决定性的影响。提出使用热氧化工艺生长的SiO2材料作为掩膜层,以达到在使用HNA腐蚀溶液制作微半球陀螺谐振子模具的过程中加快纵向腐蚀速率及实现半球模具三维对称的目的。详细研究了不同腐蚀窗初始半径下HNA腐蚀溶液对〈111〉单晶硅进行纵向和侧向腐蚀时,其腐蚀深度和腐蚀速率的演化规律,并在此基础上通过设置适当的腐蚀窗初始半径(5μm)以及腐蚀时间(15 min),成功制作出了半径为38.937 7μm的三维对称半球谐振子模具,通过球度拟合证明该模具整体半径方差为0.789 3μm,球度偏差为2%,为半球谐振子三维对称性的提升奠定了基础。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺 各向同性腐蚀 HNA腐蚀溶液 单晶硅 半球谐振子 SIO2

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一种微半球陀螺分时控制系统降噪方法 被引量：1

13

作者 陈鹤 丁徐锴 李宏生 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 2022年第5期117-120,共4页

为提高微半球陀螺仪分时控制系统输出信号的测量精度,提出了一种在系统开关切换通道中增加卸荷通道的降噪方法。通过建立陀螺工作状态切换等效模型,对降噪方法的有效性进行理论分析和仿真验证,然后设计相应数字测控电路进行噪声性能测... 为提高微半球陀螺仪分时控制系统输出信号的测量精度,提出了一种在系统开关切换通道中增加卸荷通道的降噪方法。通过建立陀螺工作状态切换等效模型,对降噪方法的有效性进行理论分析和仿真验证,然后设计相应数字测控电路进行噪声性能测试。实验数据显示,改进后的分时系统输出信号均方差降低了67%,角度随机游走降低了52%,噪声性能有效提升。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺 分时控制系统 卸荷通道 工作状态 均方差 角度随机游走

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微半球陀螺谐振子制造工艺研究现状

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作者 姚宇熠 王亚波 +2 位作者 程瑞昭 杨功流 闻泽阳 《导航与控制》 2025年第1期12-24,共13页

微半球谐振陀螺是基于哥氏效应的新型微陀螺,具有结构简单、体积小、成本低、精度高、稳定性好、抗干扰能力强的特点。由于其发展潜力巨大,众多学者对微半球谐振陀螺展开研究,致力于发展更高精度、更高稳定性的陀螺系统。首先,概述了微... 微半球谐振陀螺是基于哥氏效应的新型微陀螺,具有结构简单、体积小、成本低、精度高、稳定性好、抗干扰能力强的特点。由于其发展潜力巨大,众多学者对微半球谐振陀螺展开研究,致力于发展更高精度、更高稳定性的陀螺系统。首先,概述了微半球谐振陀螺的工作原理。随后,将谐振子的制造工艺分为三类:微玻璃膨胀法、高温喷灯吹制法和薄膜沉积法,针对每种工艺方案,详细探讨了国内外研究机构的最新研究进展,总结了各个制造工艺方案的优缺点。最后,对微半球陀螺谐振子研究方向进行了展望。 展开更多

关键词 微半球谐振陀螺 惯性器件 制造工艺 研究进展

原文传递

先进微陀螺器件及微惯性测量单元最新研究进展 被引量：9

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作者 何杰 朴继军 +2 位作者 朱玲瑞 袁小平 胡少勤 《压电与声光》 CAS 北大核心 2019年第3期410-415,共6页

微纳加工技术与振动惯性技术的结合使惯性仪表技术发生了重大的变革,拓展了惯性技术在军用和民用领域的应用。高性能微惯性器件对军事装备和国民经济的发展起着越来越大的作用。该文基于美国国防高级研究计划局(DARPA)近年来在微惯性传... 微纳加工技术与振动惯性技术的结合使惯性仪表技术发生了重大的变革,拓展了惯性技术在军用和民用领域的应用。高性能微惯性器件对军事装备和国民经济的发展起着越来越大的作用。该文基于美国国防高级研究计划局(DARPA)近年来在微惯性传感器技术领域的资助项目,综合研究了微机电系统(MEMS)谐振陀螺、微光学陀螺(MOG)、声表面波(SAW)陀螺等微惯性传感器技术及微惯性测量单元的最新发展现状,并对其发展面临的技术挑战进行了详细地分析与评述。 展开更多

关键词 微纳加工技术 微陀螺 微半球谐振陀螺 微光学陀螺 声表面波(SAW)陀螺 微惯性测量单元

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