半球諧振陀螺(Hemispherical Resonator Gyroscope,HRG)作為一種高精度、長壽命、高可靠性的慣性傳感器,已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)中,在航空航天以及武器裝備等國防軍工領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。伴隨著新一代微定位導(dǎo)航系統(tǒng)(Micro Position,Navigation and Timing,μPNT)對低成本和高性能陀螺儀的需求,基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electromechanical System,MEMS)技術(shù)的微半球陀螺(μHRG)成為了新的發(fā)展方向。μHRG在理論上可以達(dá)到HRG的性能,但是其微型化存在兩個核心問題:一、高Q值微球殼體諧振器的設(shè)計與制備;二、微球殼體的高精度驅(qū)動和檢測。這兩個關(guān)鍵問題制約了當(dāng)前微半球陀螺儀的發(fā)展。針對這些問題,本論文基于課題組前期研發(fā)的玻璃熱成型方法,研究微半球殼體諧振子及其驅(qū)動與檢測電極的設(shè)計、制備與微組裝方案,還探索了諧振器圓片級真空封裝方法。首先,基于靜電傳導(dǎo)理論提出了諧振子的電極設(shè)計方案。其中,非平面電極相比于平面電極方案,其工藝一致性較好,組裝工藝相對簡單,可以實現(xiàn)均勻的電容間距。諧振子子電極數(shù)為一組4n個,通過設(shè)計隔離電極可以降低子電極串?dāng)_。為了使諧振器實現(xiàn)陀螺表頭的功能,討論了諧振子電極的配置方案,力平衡模式下16個子電極的電極配置方案相對于8個子電極可以同時實現(xiàn)諧振模態(tài)的幅度控制、頻率控制和正交控制,能更好地消除頻率裂解。其次,研究了微殼體諧振子及其驅(qū)動與檢測電極的設(shè)計、制備�；跓岢尚头椒▓A片級制備了微殼體諧振子,多普勒測振結(jié)果顯示其二階酒杯模態(tài)的諧振頻率為19.26kHz�；诜瞧矫骐姌O方案,采用Lift-off工藝制備了非平面表面電極;采用玻璃回流工藝制備了非平面埋入式電極。對回流工藝中玻璃填充度與回流時間和電極尺寸參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了探究。針對回流冷卻過程中可能出現(xiàn)的結(jié)晶現(xiàn)象,對電極基板中玻璃的結(jié)晶度進(jìn)行了XRD表征,回流6小時的玻璃結(jié)晶度為78.19%。諧振子和電極是分立制造的,故設(shè)計了電極與諧振子的微組裝工藝,采用光刻膠作為犧牲層來定義諧振子與電極基板的組裝間距,其一致性較好。最后,探索了一種基于陽極鍵合,通過玻璃微腔實現(xiàn)氣密性封裝的方案,可用于未來微殼體諧振子的真空封裝。測得密封腔室的漏率為3.1×10~(-10)mbar?L/s。針對微殼體諧振器內(nèi)部的空氣損耗問題,基于薄膜流體模型,對壓膜阻尼進(jìn)行了理論計算,并用COMSOL Multiphysics軟件仿真,得到了氣體壓強(qiáng)和壓膜阻尼力的分布。結(jié)果顯示諧振子下表面中央處受到的壓膜阻尼最大。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212;TN751.2
【部分圖文】：

微型化成了新的研究熱點(diǎn)。其中，以微半球諧振陀螺（Micromachined Hemispherical ResonatorGyroscope, μHRG）為代表的微型殼體諧振陀螺（Micromachined Shell Resonator Gyroscope, μSRG）因其特殊的結(jié)構(gòu)和制造工藝，有望克服傳統(tǒng) MEMS 陀螺精度不高的缺點(diǎn)，是當(dāng)前陀螺發(fā)展的主要趨勢之一。本論文的主要目標(biāo)是研制出微殼體諧振子的驅(qū)動器和檢測器（通常為電極），并與諧振子組裝和封裝。本章首先對 HRG 和 μHRG 的發(fā)展歷程進(jìn)行論述，然后引出微殼體諧振器的相關(guān)研究。包括微殼體諧振子的設(shè)計與制備工藝、微殼體諧振子的驅(qū)動與檢測、微殼體諧振子的組裝與真空封裝等。最后結(jié)合現(xiàn)有研究情況，給出了本論文的主要研究工作。1.1 課題背景和研究意義半球諧振陀螺作為一種測量物體旋轉(zhuǎn)角度或角速度的慣性傳感器，在航空航天、船舶導(dǎo)航、地質(zhì)鉆探、汽車和消費(fèi)電子等一系列國防軍工、國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用[1]。美國 Delco 公司最早開始 HRG 的研制，于 1992 年發(fā)布了 4 個 HRG 組成的慣性參考單元（Inertial Reference Unit, IRU）并應(yīng)用于波音客機(jī)。1994 年空間慣性參考單元（Space Inertial Reference Unit, SIRU）問世，在 NEAR號宇宙飛船小行星登陸、商業(yè)通信衛(wèi)星、 CASSINI 號探測器土星環(huán)繞等任務(wù)中展現(xiàn)出極高性能[2]。美國 Northrop Grumman 公司也是 HRG 的主要研制單位，截至目前其生產(chǎn)的 HRG 慣性參考單元已在各項航天任務(wù)中以 100%的成功率運(yùn)行了 1200 萬小時。在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域 HRG 成為了高性能、高精度、長壽命、高可靠性的代名詞。

第一章 緒論1.2 國內(nèi)外微半球諧振陀螺研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究情況國外微半球諧振陀螺的研究開始于 2010 年前后，研究單位主要集中在美國。早在 2007 年加州大學(xué)歐文分校（UCI）就報道了圓片級制備玻璃球腔的方法[6]，為后續(xù)制備殼體諧振子打下基礎(chǔ)。2010年 UCI 發(fā)表了第一篇關(guān)于微殼體諧振子的研究，通過玻璃吹制法制備了殼體諧振子，同時帶有靜電驅(qū)動電極[7]，如圖 1-2 示。他們還比較了電磁驅(qū)動和靜電驅(qū)動等不同驅(qū)動方式下諧振子的頻率響應(yīng)，證明微型殼體諧振子在信號處理、計時、頻率控制和慣性傳感等應(yīng)用上的潛力。

2011 年 4 月，隨著微半球諧振陀螺研究受到美國國防部先進(jìn)研究計劃局（DARPA）的立項支持，越來越多的單位參與了進(jìn)來。主要單位有加州大學(xué)歐文分校（UCI）、密西根大學(xué)（Umich）、佐治亞理工學(xué)院（GIT）、康奈爾大學(xué)（Cornell）、猶他大學(xué)（Utah）、耶魯大學(xué)（Yale）、加州大學(xué)伯克利分校（UCB）、加州大學(xué)戴維斯分校（UCD）、德雷柏實驗室（DraperLab）、南加州大學(xué)（USC）、科羅拉多大學(xué)（Ucolo）等。國外研究的重點(diǎn)主要集中在諧振子的設(shè)計與制備、諧振模態(tài)的仿真與檢測、諧振子性能測試與Q 值研究以及陀螺樣機(jī)的研制與測試等。大部分單位的工作主要集中在前三個方向，目前有能力實現(xiàn)陀螺樣機(jī)的只有 UCI、Umich、GIT 和 UCD。UCI 微系統(tǒng)實驗室 Shkel 教授的課題組最早開始研究微殼體諧振子，相關(guān)工作報道較多。在諧振子振動原理方面，Prikhodko 等[8][9]從理論上分析了諧振子振動的四種基本模態(tài)，提出 4 節(jié)點(diǎn)和 6節(jié)點(diǎn)模態(tài)（即殼體做四波腹和六波腹駐波振動）比較穩(wěn)定，適合作為工作振型。通過對其自然頻率和諧振模態(tài)進(jìn)行有限元分析，并與實際測試結(jié)果比較，證明了光滑的、高度對稱的球殼結(jié)構(gòu)適合作為諧振器件。該工作還進(jìn)一步分析了殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)（球殼半徑、球殼厚度、邊界條件等）對諧振頻率的影響，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作奠定基礎(chǔ)。Senkal 等人[10]首次提出了酒杯形（Wineglass）殼體諧振子的新結(jié)構(gòu)，帶有自對準(zhǔn)柱子，進(jìn)一步提高了對稱性，如圖 1-3 示。采用超低膨脹系數(shù)鈦硅酸鹽玻璃（Ultra-Low Expansion Titania Silicate Glass, ULE TSG）作為球殼材料降低了熱彈性損耗，展現(xiàn)出制備高性能諧振器件的潛力。后來他們采用先玻璃吹制后激光切割的方法制備出光滑的半球殼酒杯形結(jié)構(gòu)[11]，但激光容易對諧振子邊緣造成損傷，且激光切割存在對準(zhǔn)誤差。
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本文編號：2835657