摘要：研究了典型微机械应力测试结构的温度特性及从源头上抑制热应力的方法。设计了一种可以代表微机械系统(MEMS)器件温度特性的应力测试结构,并分析了温度对其固有频率的影响机理。指出了与材料弹性模量、结构尺寸变化相比,轴向应力是影响该结构固有频率温度稳定性的主要因素,同时设计了一种可以释放热应力以及加工残余应力的应力隔离结构。考虑硅的线膨胀系数随温度变化的特性,通过建模仿真和实验测试获得了应力测试结构、应力隔离结构的轴向应力以及固有频率的温度特性。结果表明:在-50℃^+85℃,应力隔离结构将轴向热应力抑制到了应力测试结构的2个数量级以下,固有频率-温度系数由5.0×10^(-3)ppm/℃左右降到了5.0×10^(-5)ppm/℃以下。结果显示:设计的应力隔离结构具有非常良好的应力隔离效果,从源头上抑制了主要的温度影响因素引入整个微机械系统,可以应用于其它MEMS结构以获得良好的温度稳定性。

摘要：参量激励是一种时变的谐振子振动激励方法,在微机电（MEMS）传感器中有着重要的应用。该文针对基于参量激励的谐振子闭环振动控制系统,通过理论推导得到了谐振子及控制环的数学模型,并对控制系统稳定性进行了分析,得到了控制系统参数选取的准则。通过数值仿真对理论研究的结论进行了验证,并研究了控制环参数对系统性能的影响。基于上述分析实验实现了基于参量激励的谐振子振动控制,谐振子起振过程的稳定时间小于0.2s,稳定后振动幅度的方差为0.04mV。该研究对基于参量激励的谐振子振动控制系统的设计具有参考意义。

摘要：针对微机电陀螺的零偏易受环境因素如温度的影响而发生漂移的问题,提出了一种适用于全对称单质量陀螺的零偏自补偿方法,该方法以两种基本单轴工作模式为基础,将两种工作模式下的检测信号进行差分即可实现零偏自补偿。建立了陀螺的动力学模型,对于结构完全对称的单质量陀螺,得出了两种基本工作模式对应的标度因数互为相反数、温度变化引起的零偏变化量一致的结论,并通过实验得到了验证。零偏自补偿方法实现了标度因数叠加、零偏变化量抵消的效果。设计了一种基于FPGA的零偏自补偿数字电路,并进行了零偏试验。零偏温度试验结果表明,在25℃~70℃的温度范围内,两种基本工作模式对应的零偏输出随温度变化的趋势一致,零偏自补偿后的零偏变化量降为了基本工作模式的24%;常温零偏试验结果表明,零偏自补偿后的陀螺零偏稳定性和零偏不稳定性分别抑制到了基本单轴工作模式的18%和31.85%,验证了该零偏自补偿方法的有效性。

摘要：该文提出了一种用于微机电(micro electro mechanical system,MEMS)陀螺的PCIe(PCI express)实时测控平台。系统通过对PCIe和现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)驱动以及延时环节进行加速优化,实现了陀螺驱动频率闭环和驱动幅度闭环控制,使线振动陀螺工作在谐振频率上且幅值稳定。针对测控系统的实时性和稳定性特性,从硬件和软件两个层面进行了分析。首先在PCIe总线方面,优化了FPGA硬件,对总线传输控制和PCIe IP核接口控制进行了加速处理,将单次读数耗时降至1.8μs;其次在系统软件方面,完成对底层驱动和算法的精简,减少内核层和用户层之间的数据传输延时,并通过制定高效的数据时序控制方案,实现数据稳定传输,最终将系统的采样频率稳定在100kHz。

摘要：针对航空/航海重力及重力梯度测量、惯性导航等领域对高精度加速度计的迫切需求,提出了一种适合地面应用环境的高精度三轴静电加速度计方案。该加速度计敏感质量采用一种中心固定有一薄法兰盘的空心薄壁圆筒,圆筒内外侧与法兰盘两侧布置检测和加力电极。对影响静电加速度计性能的误差源及其作用机理进行了研究。基于MATLAB/Simulink,建立了一套三轴静电悬浮加速度计控制系统仿真模型,设计了加速度计的控制参数,并比较分别采用盘面电极与柱面电极作为敏感质量位移与姿态检测的测量电极时,典型误差源对加速度计标度因数的影响程度。仿真结果表明,采用柱面电极用于测量时标度因数稳定性可达10-9 V/g量级,比采用盘面电极提高了一个数量级。因此在工程中选择柱面电极作为敏感质量位移与姿态检测的测量电极。

摘要：高动态卫星导航接收机使用宽带宽载波环来获得动态范围,而高灵敏度接收机使用窄带宽载波环来获得更长的积分时间,因此在高动态和弱信号场景中,存在带宽选择的问题。该文引入惯性辅助来消除接收机的动态应力,设计了一种惯性辅助的二阶Kalman跟踪环路。惯性辅助消除了加速度对接收机环路的影响,使接收机工作于准静态场景,允许使用低阶环路来改善瞬态响应,并压缩环路带宽来延长积分时间,抑制噪声影响的同时也改善了载波相位测量精度。采集航迹发生器和卫星信号模拟器输出信号并进行仿真实验。实验结果表明:使用20ms相干积分时间,接收机加速度大于50g的情况下,该环路可以跟踪载噪比为24dB·Hz的弱信号。

摘要：高精度静电悬浮加速度计可作为海空重力测量仪器中的核心传感器,检验质量的位移检测电路是加速度计控制系统的核心,其精度直接影响了加速度计零偏和标度因数的稳定性,因此需要研究分辨率高、噪声小的位移检测系统。针对高精度静电悬浮加速度计的地面应用需求,以大表面积质量比的敏感探头结构为测量对象,设计了基于差动电容的位移检测电路,建立了电容检测电路的数学模型,对电路误差源进行了系统分析。实验结果表明,该电路能够有效地抑制悬浮高压引入的耦合误差,减小电路噪声。当电路工作在零点附近,20kHz内的噪声小于2×10-6V/Hz1/2,对应电容检测分辨率为2.93×10-5pF/Hz1/2,能够满足地面应用静电加速度计对位移测量精度的要求。

摘要：根据衍射原理,设计并制备了平顶整形元件,将激光能量由高斯分布转变为平顶分布。利用532nm脉冲激光进行了硅晶圆激光划片实验,研究了激光能量、划片速度及聚焦位置对划片效果的影响。结果表明,基于平顶光束的激光划片,可实现宽约为16μm、深约为18μm的划槽,且槽底部平坦,槽壁陡直;与高斯光束相比,平顶光束下热影响区明显减小。