嵌套环MEMS陀螺零偏稳定性提升关键技术研究

发布时间：2022-11-06 16:11

　　高精度微机械陀螺是无人系统、自主导航、智能装备等领域的核心器件,具有迫切的需求和广阔的应用前景。嵌套环MEMS陀螺是一种基于科里奥利效应的振动陀螺,该陀螺除具有微陀螺所共有的体积小、成本低、可批量生产等优势外,还具有全对称的谐振结构、中心固定的锚点以及大量的内部孔洞,使其具有更强的加工鲁棒性、更好的温度稳定性以及更为灵活的电极配置和更大的电容面积,因此该陀螺是目前最具性能潜力的微陀螺方案。目前嵌套环MEMS陀螺的性能仍有待提高,在性能提升等方面尚缺乏系统的研究。本文针对嵌套环MEMS陀螺开展提升其零偏稳定性的相关理论和关键技术研究,实现高精度的陀螺样机。本文主要的研究内容如下:1.建立了嵌套环MEMS陀螺的基础理论模型,为陀螺的优化设计奠定了理论基础。根据嵌套环MEMS陀螺的结构特性与工作原理,利用综合模态法建立了陀螺的分布参数动力学模型,解决了复杂嵌套环谐振结构振动模态理论分析的难题,同时基于集中参数等效方法建立了该陀螺理想情况以及带结构误差的集中参数动力学模型,并对陀螺结构误差以及电路相位误差的影响进行了研究。2.提出了嵌套环MEMS陀螺零偏稳定性提升的基本理论以及需要实现的关键技... 

【文章页数】：150 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 嵌套环MEMS振动陀螺研究进展
        1.2.1 固体波动陀螺从三维立体结构到二维平面结构的演化
        1.2.2 二维平面结构固体波动陀螺由单环结构到嵌套环结构的演化
        1.2.3 嵌套环MEMS陀螺的发展
    1.3 本文主要研究内容
第二章 嵌套环MEMS陀螺工作原理与基础理论模型
    2.1 嵌套环MEMS陀螺简介
        2.1.1 基本结构
        2.1.2 工作原理
    2.2 嵌套环MEMS陀螺分布参数动力学模型
    2.3 嵌套环MEMS陀螺等效集中参数动力学模型
        2.3.1 理想情况下集中参数动力学方程
        2.3.2 集中参数等效方法
        2.3.3 理想情况下的陀螺灵敏度模型
    2.4 引入误差后的嵌套环MEMS陀螺理论模型
        2.4.1 带结构误差的陀螺集中参数动力学模型
        2.4.2 闭环工作模式中结构误差的影响分析
        2.4.3 闭环工作模式中电路相位误差的影响分析
    2.5 本章小结
第三章 嵌套环MEMS陀螺零偏稳定性提升基本理论
    3.1 陀螺零偏稳定性评价方法
        3.1.1 基于标准差方法的MEMS陀螺性能分析
        3.1.2 基于Allan方差的MEMS陀螺性能分析
    3.2 嵌套环MEMS陀螺噪声分析与抑制理论
        3.2.1 陀螺噪声分析
        3.2.2 噪声抑制理论
    3.3 嵌套环MEMS陀螺零偏漂移模型与抑制理论
        3.3.1 零偏漂移数学模型
        3.3.2 阻尼轴偏角的辨识
        3.3.3 温度对陀螺频率的影响规律
        3.3.4 温度对陀螺品质因数的影响规律
        3.3.5 零偏漂移抑制理论
    3.4 本章小结
第四章 嵌套环MEMS陀螺有效位移比提升技术研究
    4.1 嵌套环MEMS陀螺非线性效应及对有效位移比的限制
        4.1.1 谐振结构振动非线性效应
        4.1.2 嵌套环MEMS陀螺非线性理论建模
        4.1.3 嵌套环MEMS陀螺非线性效应测试
    4.2 基于振动放大效应的嵌套环MEMS陀螺非线性抑制
        4.2.1 嵌套环MEMS陀螺中的振动放大效应
        4.2.2 基于振动放大效应的非线性抑制方法
        4.2.3 静电驱动非线性抑制实验验证
        4.2.4 电容检测非线性抑制实验验证
    4.3 有效位移比提升对陀螺性能的影响
    4.4 本章小结
第五章 嵌套环MEMS陀螺品质因数提升技术研究
    5.1 基于质量刚度解耦的品质因数提升理论
    5.2 基于刚度分布优化的品质因数提升技术
        5.2.1 特殊环间隙分布对陀螺品质因数的影响
        5.2.2 基于粒子群算法的环间隙分布优化
        5.2.3 结构参数对最优环间隙分布的影响
        5.2.4 最优环间隙分布规律及简化寻优方法
    5.3 基于质量分布优化的品质因数提升技术
    5.4 品质因数提升技术实验验证
    5.5 本章小结
第六章 嵌套环MEMS陀螺频率和阻尼匹配技术研究
    6.1 基于静电修调的频率匹配技术研究
        6.1.1 频率匹配修调理论基础
        6.1.2 修调电极角度误差的影响
        6.1.3 基于多电极协同的调频电极角度误差补偿方法
        6.1.4 基于干扰法的频率修调
    6.2 基于可调能量损耗的阻尼匹配修调技术研究
        6.2.1 基于可调能量损耗的阻尼修调理论
        6.2.2 阻尼匹配修调理论
    6.3 本章小结
第七章 嵌套环MEMS陀螺样机测试
    7.1 嵌套环MEMS陀螺样机与测试系统
    7.2 样机测试结果
        7.2.1 测试依据
        7.2.2 室温标度因数及非线性度测试
        7.2.3 零偏稳定性和重复性测试结果
        7.2.4 分辨率测试结果
        7.2.5 性能汇总
第八章 结论与展望
    8.1 全文总结
    8.2 研究展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]2017年国外惯性技术发展与回顾[J]. 薛连莉,陈少春,陈效真.  导航与控制. 2018(02)
[2]核磁共振陀螺仪研究进展[J]. 程翔,刘华,王昢,王帝,李绍良,赵万良,成宇翔.  微纳电子技术. 2017(09)
[3]基于Allan方差的MEMS陀螺仪随机误差分析方法[J]. 蒋孝勇,张晓峰,李孟委.  测试技术学报. 2017(03)
[4]遗传算法综述[J]. 金玲,刘晓丽,李鹏飞,王妍.  科学中国人. 2015(27)
[5]原子陀螺的研究进展[J]. 马永龙.  光学与光电技术. 2015(03)
[6]基于Allan方差的MEMS陀螺误差分析[J]. 张亚宁,朱涛,傅军.  自动化与仪器仪表. 2013(03)
[7]MEMS器件封装的低温玻璃浆料键合工艺研究[J]. 虞国平,王明湘,俞国庆.  半导体技术. 2009(12)
[8]蚁群算法理论及应用研究的进展[J]. 段海滨,王道波,朱家强,黄向华.  控制与决策. 2004(12)
[9]遗传算法研究综述[J]. 吉根林.  计算机应用与软件. 2004(02)
[10]电容器充电过程系统的能量损失[J]. 洪正平.  山东师范大学学报(自然科学版). 2009 (02)

博士论文
[1]嵌套环式MEMS振动陀螺的结构分析与优化[D]. 周鑫.国防科技大学 2018

硕士论文
[1]蜂巢式MEMS陀螺模态匹配闭环控制技术研究[D]. 王鹏.国防科技大学 2018
[2]嵌套环式MEMS振动陀螺的频率修调技术研究[D]. 于得川.国防科学技术大学 2016
[3]玻璃浆料在MEMS圆片级气密封装中的应用研究[D]. 陈骁.南京理工大学 2009
[4]硅硅直接键合的理论及工艺研究[D]. 肖滢滢.合肥工业大学 2005



本文编号：3703808