1 微米纳米加工技术国家级重点实验室, 上海 200240
2 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系, 上海 200240
提出并研制了一种具有高机械灵敏度和低零偏稳定性的新型波浪式MEMS谐振陀螺(WDRG)。该结构的设计方法是将传统的环式MEMS谐振陀螺(DRG)转变为波浪式环, 以提供更高的热弹性品质因数。此外, 与传统DRG相比, WDRG具有更高的制造误差抗扰度。通过优化结构参数, 进一步提高了WDRG的性能。通过有限元法(FEM)给出了主要结构参数对WDRG性能的影响。优化后WDRG的热弹性品质因数、机械灵敏度和偏置稳定性分别为450k, 1.05μm/(°/s)和0.076(°)/h。与传统DRG相比, 零偏稳定性降低了90%, 热弹性品质因数和机械灵敏度分别提高了215%和950%。
1 上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室
2 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系, 上海 200240
3 上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室
微谐振陀螺仪是一种固体波动陀螺, 常采用微纳制造工艺进行加工, 具有小体积、高性能、低功耗、批量化等特点。自1975年世界上第一个半球谐振陀螺诞生以来, 微谐振陀螺的谐振子拓扑结构经历了三维结构到二维结构的演变。文章以拓扑结构的发展脉络为主线, 对微谐振陀螺的发展过程进行了梳理和总结, 最后对目前存在的问题进行了分析, 对未来的发展进行了展望。
1 上海交通大学 1. 微米/纳米加工技术国家级重点实验室
2 2. 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
提出了一种面向微惯性测量单元(Micro-IMU)应用的微电子机械系统(MEMS)三维可折叠结构, 其主要组成部分包括绝缘层上硅(SOI)基底、聚酰亚胺柔性链、金属线以及MEMS多环陀螺仪。文章基于有限元仿真技术, 分析了可折叠结构及器件的可行性。基于SOI一体化MEMS技术, 将核心传感器的制作工艺与折叠结构工艺相结合, 在结构中搭载单轴圆盘多环谐振微陀螺, 利用柔性铰链实现结构的三维折叠以及各个传感器之间的电互连, 实现单轴惯性传感器的集成, 制备出体积为1cm3、质量为250mg的搭载多环谐振微陀螺的三维可折叠系统。
微惯性测量单元 折叠MEMS 聚酰亚胺 圆盘谐振陀螺 micro IMU folded MEMS SOI SOI polyimide DRG
1 上海交通大学 1. 微米/纳米加工技术国家级重点实验室, 上海 200240
2 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系, 上海 200240
由于多环谐振式微机械陀螺的谐振频率较高, 传统的数字控制电路对陀螺幅点信号的频率跟踪难以同时兼顾精度和速度的要求。在传统半球陀螺数字控制电路的基础上, 提出了一种适用于多环谐振式微机械陀螺仪的频率跟踪电路, 并首次运用于多环谐振式微机械陀螺。该电路以高速A/D转换电路为基础, 通过对幅点信号高速采样计算频率和相位信息, 并通过CORDIC算法产生输出信号。测试结果显示, 该电路使多环谐振式微机械陀螺幅点信号的频率跟踪精度达到了0.78Hz, 频率跟踪时间小于40μs, 使控制电路的性能得到了极大提升。
多环谐振式微机械陀螺 频率跟踪电路 控制电路 A/D转换 mult-ring resonant micromechanical gyroscope frequency tracing circuit control circuit A/D convert CORDIC CORDIC
上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系, 微米/纳米加工技术国家级重点实验室, 薄膜与微细技术教育部重点实验室, 上海 200240
提出了一种新型的结构解耦四质量块陀螺仪的结构设计以及制备方法。采用梳齿电极的设计和推挽法消除了静电驱动力的二倍频分量, 并对折叠梁结构进行仿真分析和优化, 有效地实现了对驱动和检测模态的结构解耦。针对陀螺仪的结构, 设计了可行的工艺方案并进行实际加工, 采用SOI和阳极键合工艺, 最终制作出四质量块陀螺仪样品。仿真得到驱动和检测模态的谐振频率差为7Hz, 表明其结构的高度对称性。谐响应分析下陀螺仪最大位移为1290nm, 驱动框架最大位移差为60.75nm, 检测框架最大位移为305.24nm, 取得了理想的解耦效果。
结构解耦 四质量块 阳极键合 仿真分析 structure decoupling quadruple mass anode bonding SOI SOI simulation analysis
上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系, 微米/纳米加工技术国家级重点实验室, 薄膜与微细技术教育部重点实验室, 上海 200240
由SOI片制备的微多环谐振陀螺仪在测试过程中, 不可避免地会引入馈通信号, 而目前常用的差分检测馈通取消方式高度依赖微陀螺仪和检测电路的对称性, 不能有效地消除馈通信号。针对此问题, 提出了一种基于反相信号的馈通取消方案, 通过在驱动和检测电极之间施加与馈通信号反相的信号, 从而抵消馈通效应带来的干扰, 该方法理论上可以在不降低驱动力的情况下将馈通信号完全取消。实验结果表明, 该方法能有效消除馈通信号对电容检测的影响, 谐振峰高度可提高约25倍。
微多环陀螺仪 电容检测 馈通效应 电学模型 馈通取消 micro multi-ring resonant gyroscope capacitance detection feed-through effect electrical model feed-through cancellation
