硅微谐振式加速度计技术现状及展望

硅微谐振式微加速度计是各种MEMS加速度计中被普遍看好并期待为将来的高精度微加速度计发展的一个重要方向,正在全世界范围内被广泛研究。本文对硅微谐振式微加速度计的发展现状进行了评述。根据国内外不同的技术实现,诸如工作原理、微加工工艺实现、应用范围等对其进行了分类阐述。最后,对硅微谐振式加速度计研究中一些关键技术进行了讨论,并提出了展望。     

2021年国外惯性技术发展与回顾

对2021年IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议等惯 性技术相关会议文献,以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行详细梳理。总结了光学陀 螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、原子陀螺和加速度计等惯性仪表及惯性系统的发 展现状,并对惯性技术领域的发展动向进行了剖析与展望。     

2022年国外惯性技术发展与回顾

惯性技术广泛应用于海、陆、空、天各种载体的导航、定位与控制。通过对2022年的IEEE惯性传感器与系统会议、DGON惯性传感器系统会议、MEMS国际会议和圣彼得堡组合导航会议等惯性技术相关会议文献以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行的详细梳理,总结了光学陀螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、加速度计以及新兴的量子惯性传感器等惯性仪表及惯性导航系统(INS)的发展现状,并对惯性技术领域的发展趋势进行了分析与展望。当前,惯性技术领域相关研究主要侧重于小型化、提高精度和降低成本等方面。其中,光学陀螺较为成熟,更为侧重于小型化相关研究;微机电陀螺正在致力于向导航级性能突破和发展;半球谐振陀螺主要着力于探索降低高端产品的制造成本。     

基于结构参数的硅谐振式加速度计频率特性分析

硅谐振式加速度计精度高、稳定性好、数字输出,且体积小、成本低、易于集成,是惯性加速度计未来的发展方向之一.根据谐振式加速度计的原理对其关键结构参数对谐振频率及加速度计灵敏度的影响进行了理论分析,并结合硅谐振式加速度计的具体工作情况与谐振梁的实际结构合理设置仿真边界条件,分别对一种硅谐振式加速度计谐振器的谐振梁宽度、谐振梁厚度、谐振梁长度以及双谐振梁间距进行仿真分析,从理论与仿真两个方面得到了关键结构参数对谐振频率与加速度灵敏度的影响规律,验证了仿真结果与理论推导结果的一致性与差异点,为后续高机械灵敏度结构设计提供参考依据.     

MS8000硅微加速度计的测试与分析

硅微加速度计作为一种新型惯性传感器,它在体积、重量、成本、功耗、可靠性和寿命方面都具有传统加速度计无可比拟的优势。本文阐述了MS8000硅微加速度计结构和工作原理,并对其重要性能参数进行了测试和分析。     

用于军事系统的GPS／INS技术发展趋势

本文重点探讨的是军用平台与武器上的惯性敏感器、ＧＰＳ精度和考虑干扰问题的组合ＧＰＳ／ＩＮＳ系统及在未来可形成１ｍ精度的全球导航系统的技术发展趋势。对于惯性敏感器,将介绍适用于军用系统的、决定发展方向的敏感器技术,它们是：光纤陀螺、硅微机械陀螺、谐振梁和加速度计及硅微机械加速度。本文钭对未来几十年内用于军事领域内的惯性仪表及惯性系统作一展望。将描述标定的ＧＰＳ及观测精度,以及各个阶段的ＷＡＧＥ方法、     

2019年国外惯性技术发展与回顾

2019年，在IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议、欧洲导航会议、美国导航学会的GNSS等会议上，国外惯性技术相关组织与机构纷纷报道其研究成果。结合惯性会议和相关研究机构披露的信息，梳理了惯性技术领域的最新发展动态，重点介绍了光学陀螺、微机电（MEMS）陀螺、半球谐振陀螺（HRG)、原子陀螺以及加速度计等惯性仪表及惯性系统的发展现状，并对惯性技术领域的发展动向进行了分析和展望。     

从1970至1995年的惯性导航技术发展概况

自１９７０年开始的这段时间，以集中精力推进新的导航技术的发展为其特点。由于今天几乎所有任务的性能需求都可以由２５年前的仪表加以满足，因而有理由提出这样一个问题，即什么因素驱动惯性技术的发展。对这个问题的回答也批了未来２５年技术发展可能走的道路和方向。干式调谐二自由度陀螺仪的出现与完善，光学陀螺、谐振陀螺、石英谐振加速度计及微机械硅仪表的兴起都受一个目的和一个需要的驱动，目的是提高惯性系统的寿命、降     

硅微加速度计系统设计技术

本文探讨了硅微加速度计的系统设计方法,采用专用MEMS设计软件建立了“三明治”式硅微加速度计自顶向下的系统模型,该模型对于硅微加速度计的系统设计和优化具有指导意义。通过优化改进设计,目前硅微加速度计零位重复性已达到2×10-4g（3个月,1σ）,正在开展探月二期工程的应用研究。     

硅微加速度计控制系统设计

由于静电场的负刚度导致控制回路系统的不稳定,因此静电力闭环硅微加速度计控制系统设计是硅微加速度计技术的关键核心技术,也是硅微加速度计设计的难点技术之一。在硅微加速度计项目研制过程中,我们解决了仪表回路系统的稳定性问题、高增益和带宽的问题,保证了仪表启动的快速性、精度和稳定性。     

石英谐振加速度传感器芯片设计与仿真

分体式石英谐振加速度传感器在性能提升上受到装配误差等因素的影响较大，故提出一种全石英谐振加速度计芯片结构，包括下层的硅结构和上层的石英结构。下层的硅基底仅作为支撑结构进行加工制作，敏感单元为全石英材料，硅结构与石英结构键合到一起，结构加工完成后去除硅材料，以释放石英敏感单元。整体结构为中心对称，包括质量块、音叉结构、微杠杆结构和应力分配梁，芯片通过微杠杆结构来增大传感器的灵敏度，并通过应力分配梁使石英音叉两根振梁上的内应力均匀一致。通过仿真验证了设计的有效性，仿真的差动灵敏度为35Hz/g。     

多环谐振微机械陀螺的研究现状及发展趋势

微机械陀螺是一种新型的陀螺，近年来随着微机电技术的发展，其性能不断得到提高。基于多环谐振微机械陀螺的发展现状，详细评述了多环谐振陀螺的来源以及其由单环到多环的结构发生改变的优点。并基于驻波进动原理，介绍了两种新型的全对称谐振盘陀螺。总结了圆环谐振式微机械陀螺的工艺发展路线，由早期的HARPSS工艺发展到外延多晶硅封装工艺，再到材料性能好的单晶硅热压键合工艺，使得多环谐振陀螺的性能不断得以提升，并分析了其优缺点。最后，展望了未来的高新技术，提出多环谐振陀螺的发展方向。     

MEMS加速度计的封装建模与粘胶优化

随着MEMS加速度计应用领域的逐渐扩大，其工作环境的温度区间跨度也在不断增大，如何降低由封装过程引入的温度漂移量是MEMS加速度计设计的关键。对一种玻璃-硅-玻璃梳齿加速度计的完整封装结构进行了建模，并且对5种粘胶方式进行了热应力形变仿真，对仿真中温度性能最好的远三点粘胶和最差的全面粘胶这两种方式进行了装表与温度系数测试。实测结果表明，远三点粘胶的加速度计温度性能相比全面粘胶提升了2.5倍，与仿真结果相符。     

静电负刚度谐振式加速度计的非线性振动特性研究

为了进一步探究微机电系统(MEMS)传感器领域中静电力对非线性振动的影响,以静电负刚度谐振式加速度计(ENSRA)为研究对象进行动力学建模和实验分析.基于哈密顿原理建立了ENSRA机电耦合的非线性振动动力学模型,分析了其高阶非线性刚度的来源,并结合实验现象探究了MEMS传感器中静电力对器件非线性振动的影响,得到了驱动力与静电力对高阶非线性刚度的一般关系.经过开环扫频实验表明,当驱动力从100mV降低到60mV时,非线性振动优化了49％,当调谐电压从10V降低到6V时,非线性振动优化了44％,输出非线性降低了将近4个数量级,器件整体性能大幅提升,有效改善了二阶非线性刚度项导致的谐振器刚度软化和谐振峰的左偏现象.     

基于MEMS陀螺和加计的微惯性测量单元研制

微惯性测量单元具有成本低、体积小、功耗低和抗冲击等优点,可以应用在车辆稳定控制、平台稳定及导航控制系统中,具有广阔的市场应用前景.详细介绍了采用三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计研制的微惯性测量单元硬件设计,对信号进行预处理、陀螺漂移补偿、降噪等处理.所研制的低成本MIMU经过补偿后零位漂移保持在:X轴、Y轴、Z轴,可以应用到普通导航领域.     

基于模态局部化效应的微机械加速度计研究进展

模态局部化效应是安德森局部化在结构动力学中的一种具体表现形式,其利用振动模态的能量局部集中效应实现了灵敏度的大幅度提高。因此,模态局部化效应近年来逐渐被用于研制高精度的谐振式传感器。介绍了模态局部化效应的基本原理及发展历程,及其在各类谐振式传感器中的应用及研究现状,包括质量传感器、电荷传感器、位移传感器以及刚度传感器。最后,着重介绍了模态局部化效应在惯性敏感器件加速度计中的应用及研究现状。     

模型直升机自主返回系统的设计与实现

设计了一架具有自主返回模块和增稳模块的模型直升机。该直升机硬件电路以C8051F020单片机作为机载部分控制器,使用MEMS陀螺仪和MEMS~JI速度计测量姿态信息,运用无线收发模块实现和地面站的通信。文章介绍了模型直升机系统的软件流程和实现,用系统辨识法分通道建立了直升机模型,设计了直升机的增稳控制模块。设计的模型直升机可完成悬停、返回、着陆等简单的自主飞行任务,为后续舰载小型模型直升机自主起降开发与验证平台的研制奠定了基础。     

抗高过载硅微杯型振动陀螺结构设计与仿真

微机械陀螺是现代制导武器的核心器件，但是制导武器的发射过程中伴随着巨大的加速度过载。针对微机械陀螺结构在大过载情况下活动质量块受过载影响大的问题，设计了一种抗高过载MEMS杯型振动式陀螺结构。结合四波腹运动原理，对杯型陀螺结构的工作原理、振动特性以及抗高过载特性进行了分析。在ANSYS有限元分析软件中建立了该硅微杯型陀螺结构的有限元模型，分别进行了模态分析、谐响应分析。仿真分析结果显示，该硅微杯型陀螺驱动模态与敏感模态固有频率的频差为0.8kHz，工作模态的频率匹配性较好。根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应，谐振结构在100000g的瞬态冲击作用下的最大应力为11.38MPa，最大位移为8.06nm，证明该结构具有优良的抗冲击特性。     

嵌套环MEMS陀螺研究综述

嵌套环MEMS谐振陀螺是一种基于Coriolis效应的振动陀螺，具有结构全对称、加工鲁棒性好、电容灵敏度高、可采用传统体硅加工工艺实现批量化制造等优点，是目前最具性能潜力的微陀螺方案之一。首先阐述了嵌套环MEMS谐振陀螺的基本结构和工作原理，然后针对其在敏感结构设计及演化、品质因数提升、频率匹配技术、非线性效应与参数放大技术及零偏补偿技术等方面的发展进行了讨论，并对其在结构设计、加工技术、测控电路、新机理和新效应的应用等方面的发展进行了展望。嵌套环MEMS谐振陀螺可以实现高精度的角速率测量，具有巨大的性能潜力和较好的应用前景。