【摘要】：近年來,隨著MEMS技術的不斷發(fā)展,傳感器的微型化也得到長足的進步�；诠杌腗EMS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,可廣泛應用于汽車電子、消費電子以及航空航天等領域。對于MEMS陀螺性能的檢測,一般通過搭建相關電路系統(tǒng)來實現(xiàn),這種檢測電路由于分布參數(shù)等因素的影響,往往會使檢測結(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MEMS半球陀螺性能檢測系統(tǒng),在設計出信號提取低噪聲接口電路的同時,通過鎖相放大器實現(xiàn)了驅(qū)動與檢測雙環(huán)路系統(tǒng),并準確檢測出MEMS半球陀螺相關性能參數(shù)。首先,在充分介紹半球陀螺工作原理的基礎上,描述了結(jié)構設計和加工工藝,并給出了描述陀螺性能相關參數(shù)指標。其次,對半球陀螺敏感信號的提取方法進行了深入的研究,包括敏感電容信號提取、解調(diào)、濾波放大等電路的優(yōu)化設計,并通過分析電路噪聲特征,設計出了噪聲低、易于在板級電路實現(xiàn)的接口電路。同時在TINA軟件中對電路性能進行了仿真優(yōu)化,在Altium Designer中完成PCB的設計,實現(xiàn)了低噪聲、高增益的敏感信號提取接口電路。為了能簡捷方便的實現(xiàn)對MEMS半球陀螺性能檢測,文中采用HF2LI鎖相放大器實現(xiàn)了儀器級陀螺的驅(qū)動與敏感檢測環(huán)路。被測MEMS陀螺通過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,并通過相關模塊軟件界面的參數(shù)設定,實現(xiàn)驅(qū)動環(huán)路的鎖頻、穩(wěn)幅以及敏感閉環(huán)檢測輸出。以MEMS半球陀螺為例,測得該陀螺在±250°/s量程下標度因數(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),也用電路級檢測系統(tǒng)進行了該測試結(jié)果正確性的驗證,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,可廣泛應用于MEMS諧振器件的性能評測之中。
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN96
【圖文】：

國內(nèi)有東南大學、國防科技大學等正積極展開對ＭＥＭＳ半球陀螺的研究。逡逑密歇根大學的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類戲水盆結(jié)構，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，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的信號衰減時間常數(shù)為８．３ｓ，邋Ｑ值為２１３６０４，頻率在８２１６Ｈｚ信號的時間常逡逑數(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［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)逡逑構如圖１．２所示［８］，有一個中心錨點，一個諧振器，１６個信號讀出和控制電極，電極逡逑和錨點都固定在玻璃襯底上。諧振器的直徑是２．５＿，錨點直徑是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，諧振頻率為１８．３１６ｋＨｚ和１８．３２１ｋＨｚ，頻差５Ｈｚ。逡逑２０１４年，愛爾蘭分校的Ｄｏｒｎｋ邋Ｓ等人提出熔石英制作高對稱性、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，諧振頻率為１８．３１６ｋＨｚ和１８．３２１ｋＨｚ，頻差５Ｈｚ。逡逑２０１４年，愛爾蘭分校的Ｄｏｒｎｋ邋Ｓ等人提出熔石英制作高對稱性、高Ｑ值半球陀螺逡逑的吹玻璃工藝［１４］

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 王玉朝;滕霖;孫香政;王剛;郭志想;余才佳;;真空封裝硅微陀螺品質(zhì)因數(shù)的標定[J];光學精密工程;2014年10期

2 羅旭程;馮軍;;一種基于0.35μm CMOS工藝的單片集成微機械陀螺儀接口電路[J];電子學報;2014年09期

3 吳煥銘;楊海鋼;尹韜;吳其松;;一款基于解調(diào)信號相位矯正技術的低噪聲微陀螺接口電路芯片[J];電子與信息學報;2013年10期

4 賈方秀;裘安萍;施芹;蘇巖;;硅微振動陀螺儀設計與性能測試[J];光學精密工程;2013年05期

5 趙寄晨;謝文怡;蔡建法;王衛(wèi)劍;王凌云;;基于LabVIEW的微機械陀螺動態(tài)參數(shù)的測試[J];計算機測量與控制;2013年03期

6 何春華;崔健;閆俊杰;林龍濤;王福娟;郭中洋;楊振川;蔡志崗;閆桂珍;;基于LabVIEW的微機械陀螺自動測試系統(tǒng)開發(fā)[J];傳感技術學報;2011年02期

7 周文聞;張嶸;周斌;陳志勇;;基于SOPC的單軸陀螺驅(qū)動環(huán)路設計[J];中國慣性技術學報;2009年01期

8 劉忠卿;張嶸;;微機械陀螺管芯測試方法[J];傳感器與微系統(tǒng);2008年04期

9 張濤;冷長林;鐘瑩;張國雄;;基于激光差動多普勒效應的微機電系統(tǒng)動態(tài)測試技術[J];光學學報;2007年01期

10 劉英明;王向朝;;一種硅微機械諧振器的單光源激振測振方法[J];中國激光;2006年12期

相關碩士學位論文 前2條

1 盛斌;基于雙量化機電耦合∑△調(diào)制技術的MEMS角振動陀螺儀[D];蘇州大學;2017年

2 周銘;MEMS角振動陀螺的結(jié)構建模與仿真分析[D];蘇州大學;2015年

本文編號：2795043