發(fā)布時(shí)間：2020-08-17 07:52

【摘要】：近年來(lái),隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展,傳感器的微型化也得到長(zhǎng)足的進(jìn)步。基于硅基的MEMS陀螺就是典型發(fā)展成果之一。與傳統(tǒng)陀螺儀相比,它具有體積小、重量輕、功耗低、易于集成等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于汽車電子、消費(fèi)電子以及航空航天等領(lǐng)域。對(duì)于MEMS陀螺性能的檢測(cè),一般通過(guò)搭建相關(guān)電路系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),這種檢測(cè)電路由于分布參數(shù)等因素的影響,往往會(huì)使檢測(cè)結(jié)果有較大的不確定性,而且電路調(diào)試也比較繁雜。本文提出了以鎖相放大器為主的儀器級(jí)MEMS半球陀螺性能檢測(cè)系統(tǒng),在設(shè)計(jì)出信號(hào)提取低噪聲接口電路的同時(shí),通過(guò)鎖相放大器實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)雙環(huán)路系統(tǒng),并準(zhǔn)確檢測(cè)出MEMS半球陀螺相關(guān)性能參數(shù)。首先,在充分介紹半球陀螺工作原理的基礎(chǔ)上,描述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝,并給出了描述陀螺性能相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。其次,對(duì)半球陀螺敏感信號(hào)的提取方法進(jìn)行了深入的研究,包括敏感電容信號(hào)提取、解調(diào)、濾波放大等電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過(guò)分析電路噪聲特征,設(shè)計(jì)出了噪聲低、易于在板級(jí)電路實(shí)現(xiàn)的接口電路。同時(shí)在TINA軟件中對(duì)電路性能進(jìn)行了仿真優(yōu)化,在Altium Designer中完成PCB的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了低噪聲、高增益的敏感信號(hào)提取接口電路。為了能簡(jiǎn)捷方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS半球陀螺性能檢測(cè),文中采用HF2LI鎖相放大器實(shí)現(xiàn)了儀器級(jí)陀螺的驅(qū)動(dòng)與敏感檢測(cè)環(huán)路。被測(cè)MEMS陀螺通過(guò)接口電路與鎖相放大器連接,利用鎖相放大器中Demod、PLL、PID等模塊,并通過(guò)相關(guān)模塊軟件界面的參數(shù)設(shè)定,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)環(huán)路的鎖頻、穩(wěn)幅以及敏感閉環(huán)檢測(cè)輸出。以MEMS半球陀螺為例,測(cè)得該陀螺在±250°/s量程下標(biāo)度因數(shù)為2.55mV/°/s,非線性度為660ppm,零偏穩(wěn)定性為60.3°/h,零偏不穩(wěn)定性為20.6°/h等參數(shù),也用電路級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了該測(cè)試結(jié)果正確性的驗(yàn)證,證明了本系統(tǒng)的有效性。本系統(tǒng)具有方便、快捷、可靠等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于MEMS諧振器件的性能評(píng)測(cè)之中。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN96
【圖文】：

國(guó)內(nèi)有東南大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等正積極展開(kāi)對(duì)ＭＥＭＳ半球陀螺的研究。逡逑密歇根大學(xué)的Ｃｈｏ邋Ｊ等人在２０１３年利用熔石英材料研制半球陀螺，其中一種類逡逑似鳥(niǎo)類戲水盆結(jié)構(gòu)，其ＳＥＭ圖如圖１．１所示［７］，直徑２．５＿，高１．１＿。真空度在小逡逑于ＩｍＴｏｒｒ時(shí)，半球陀螺二階模態(tài)諧振頻率為８１９６Ｈｚ和８２１６Ｈｚ，頻差２０Ｈｚ。頻率在逡逑８１９６Ｈｚ的信號(hào)衰減時(shí)間常數(shù)為８．３ｓ，邋Ｑ值為２１３６０４，頻率在８２１６Ｈｚ信號(hào)的時(shí)間常逡逑數(shù)為邋８．２ｓ，邋Ｑ邋值為邋２１１５４５。逡逑＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿邐Ｆｕｓｅｄ－ｓｉｌｉｃａ邋ｐ－ｂｉｒｄｂａｔｈ逡逑Ｂ＇ｌ邋：邐＾邐Ｒｅａｄｏｕｔ－ａｎｄ－邋ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ｍｅｔａｌｉｉｚｅｄ）逡逑ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ邋邐邋Ｂｏｕｎｄａｒｙ逡逑ｍ邐ｒｐｆ逡逑Ｂｏｔｔｏｍ邋ｓｕｂｓｔｒａｔｅ逡逑圖１．邋１熔石英半球陀螺的ＳＥＭ圖ｔ７］邐圖１．２半球陀螺結(jié)構(gòu)［８］逡逑２０１４年，Ｃｈｏ邋Ｊ等人又用同樣的工藝同樣的材料加工不同尺寸的半球陀螺，其結(jié)逡逑構(gòu)如圖１．２所示［８］，有一個(gè)中心錨點(diǎn)，一個(gè)諧振器，１６個(gè)信號(hào)讀出和控制電極，電極逡逑和錨點(diǎn)都固定在玻璃襯底上。諧振器的直徑是２．５＿，錨點(diǎn)直徑是０．５ｍｍ，高度是逡逑１．５５ｍｍ。該規(guī)格的半球陀螺在真空度小于ＩｍＴｏｒｒ室溫下，二階模態(tài)的諧振頻率分別逡逑為１０４６５Ｈｚ和１０４７９Ｈｚ

邐：逡逑圖１．邋３二氧化娃半球陀螺圖１．４多晶硅半球諧振陀螺ＳＥＭ圖Ｍ逡逑２０１４年，Ｓｈａｏ邋Ｐ等人首次提出利用單片晶圓制作多晶硅半球諧振陀螺包括驅(qū)動(dòng)逡逑電極、敏感電極和調(diào)諧電極［１２］。該半球陀螺球殼厚７００ｎｍ，直徑１．２ｍｍ，其ＳＥＭ圖逡逑如圖１．４所示。其Ｑ值在６．７ｋＨｚ處是８５００，頻差是１０５Ｈｚ。逡逑加州大學(xué)戴維斯分校的Ａｍｉｒ邋Ｈ等人在２０１３年利用多晶金剛石加工半球陀螺［１３］，逡逑金剛石具有低的熱損耗和大的剛度系數(shù)。加工出的半球諧振陀螺直徑１．１＿，在真空逡逑度４＿３ｍＰａ時(shí)，諧振頻率為１８．３１６ｋＨｚ和１８．３２１ｋＨｚ，頻差５Ｈｚ。逡逑２０１４年，愛(ài)爾蘭分校的Ｄｏｒｎｋ邋Ｓ等人提出熔石英制作高對(duì)稱性、高Ｑ值半球陀螺逡逑的吹玻璃工藝［１４］

邐：逡逑圖１．邋３二氧化娃半球陀螺圖１．４多晶硅半球諧振陀螺ＳＥＭ圖Ｍ逡逑２０１４年，Ｓｈａｏ邋Ｐ等人首次提出利用單片晶圓制作多晶硅半球諧振陀螺包括驅(qū)動(dòng)逡逑電極、敏感電極和調(diào)諧電極［１２］。該半球陀螺球殼厚７００ｎｍ，直徑１．２ｍｍ，其ＳＥＭ圖逡逑如圖１．４所示。其Ｑ值在６．７ｋＨｚ處是８５００，頻差是１０５Ｈｚ。逡逑加州大學(xué)戴維斯分校的Ａｍｉｒ邋Ｈ等人在２０１３年利用多晶金剛石加工半球陀螺［１３］，逡逑金剛石具有低的熱損耗和大的剛度系數(shù)。加工出的半球諧振陀螺直徑１．１＿，在真空逡逑度４＿３ｍＰａ時(shí)，諧振頻率為１８．３１６ｋＨｚ和１８．３２１ｋＨｚ，頻差５Ｈｚ。逡逑２０１４年，愛(ài)爾蘭分校的Ｄｏｒｎｋ邋Ｓ等人提出熔石英制作高對(duì)稱性、高Ｑ值半球陀螺逡逑的吹玻璃工藝［１４］

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2795043