發(fā)布時(shí)間：2020-03-31 19:41

【摘要】：微機(jī)械陀螺儀是一種重要的慣性?xún)x器,主要用來(lái)測(cè)量物體的旋轉(zhuǎn)角速度或角加速度。它在消費(fèi)電子、汽車(chē)、國(guó)防制導(dǎo)、航空航天等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的研究滯后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家,特別是高性能的微機(jī)械陀螺儀核心器件的研究還處于起步階段。本文提出一種全對(duì)稱(chēng)的多環(huán)振動(dòng)結(jié)構(gòu)靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺儀,從理論基礎(chǔ)、工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能仿真、加工工藝、器件測(cè)試等幾個(gè)方面進(jìn)行了研究,主要包括以下內(nèi)容:(1)靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺儀的理論研究。詳細(xì)分析了微機(jī)械陀螺儀理論基礎(chǔ)科里奧利效應(yīng),建立質(zhì)量彈簧阻尼模型;利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析器件性能并得到機(jī)械靈敏度表達(dá)式;基于微機(jī)械陀螺儀靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)的原理,分析了提高微機(jī)械陀螺儀性能的方法并著重就靜電調(diào)修進(jìn)行分析。(2)靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真。通過(guò)比較選型,確立多環(huán)結(jié)構(gòu)為本陀螺儀的基本設(shè)計(jì)類(lèi)型;利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)器件進(jìn)行模態(tài)分析,得到驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率為21052 Hz,敏感模態(tài)的諧振頻率為21545 Hz;分析了阻尼對(duì)器件性能的影響,利用諧響應(yīng)分析計(jì)算了不同固定阻尼比與器件振幅的關(guān)系;分析了外界沖擊對(duì)器件性能的影響,利用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析得到器件X軸可以承受最大加速度為8.842×105 g,Z軸可以承受最大加速度為1.9×106 g。(3)靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺儀的MEMS工藝設(shè)計(jì)與流片實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了基于SOI硅片的工藝并進(jìn)行流片;優(yōu)化了濕法刻蝕釋放結(jié)構(gòu)的工藝;分析了器件襯底漏電的機(jī)理,并利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真計(jì)算;設(shè)計(jì)了基于硅玻璃鍵合的工藝并進(jìn)行流片;優(yōu)化了玻璃凹槽濕法刻蝕工藝設(shè)計(jì)與圓片鍵合工藝。(4)靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)械諧振器件的測(cè)試。分析了主要的幾種MEMS諧振器件的測(cè)試方法;基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、真空腔、跨阻放大器等設(shè)備,對(duì)器件進(jìn)行掃頻測(cè)試,得到驅(qū)動(dòng)軸的諧振頻率為23686.25 Hz,敏感軸的諧振頻率為23980 Hz;基于靜電調(diào)修原理,對(duì)器件施加2.5 V靜電調(diào)修電壓,兩個(gè)模態(tài)的頻率裂解從293.75 Hz下降到6.25 Hz,提高了器件的性能。
【圖文】：

１．２．１平衡環(huán)式陀螺儀逡逑１９９１年，Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｓｔａｒｋ邋Ｄｒａｐｅｒ?qū)嶒?yàn)室開(kāi)發(fā)出第一款由扭轉(zhuǎn)繞曲梁支撐的雙平逡逑衡環(huán)陀螺儀，如圖１．１所示［１８］。該器件由ｐ型（Ｐ＋＋）重?fù)诫s硅制作。外環(huán)由驅(qū)逡逑動(dòng)電極激勵(lì)靜電扭矩在一個(gè)恒定振幅運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界施加旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于科里奧利力逡逑的作用，內(nèi)環(huán)也會(huì)隨之發(fā)生諧振。當(dāng)內(nèi)外環(huán)的諧振頻率一致時(shí)，器件有最大分辨逡逑率。該器件采用閉環(huán)控制，在１邋Ｈｚ帶寬下，該器件的檢測(cè)能力為４邋°／ｓ。逡逑ｅ邋■邋［ｂｅ邋？ｙ邋－邋ｔｏ］邋？ｑＱＱ邐ｉ邋＾邋ＩＮＰＵＴ邋ＡＸＩＳ邋－邋ＩＮＰＵＴ邋ＩＮＥＲＴＵＬ邋ＡＮＧＵＬＡＲ邋ＲＡＴＥ邋Ｃｌ逡逑１邋Ｉ＊邋Ｊ逡逑ｙ—邋ＱＹＲＯ邋ＥＬＥＭＥＮＴ逡逑ＶＩＢＲＡＴＯＲＹ逡逑ＯＵＴＰＵＴ邋ＡＸＩＳ邋＆邐ＥＬＥＣＴＫＯＯＥＳ逡逑圖１．１邋Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｓｔａｒｋ邋Ｄｒａｐｅｒ?qū)嶒?yàn)室研制的雙平衡環(huán)陀螺儀丨１８１逡逑中東科技大學(xué)的學(xué)者在２０００年開(kāi)發(fā)了基于三層多晶硅材料的表面微加工工逡逑藝微機(jī)械陀螺儀［１９］。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了較大電容正對(duì)的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電極能施加更大的逡逑驅(qū)動(dòng)力，敏感電極可以檢測(cè)到較強(qiáng)的敏感信號(hào)，這樣整個(gè)器件的靈敏度得以提高，逡逑如圖１．２所示。并且該器件可以自主調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率與敏感頻率。當(dāng)外環(huán)在激勵(lì)的逡逑作用下扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，施加外界旋轉(zhuǎn)后，內(nèi)環(huán)也開(kāi)始扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。兩種振動(dòng)模態(tài)的頻逡逑率差在４．６５邋％，，讀出電路檢測(cè)到的電容變化值在０．１邋ｆＦ，并達(dá)到４５邋ｍＶ／ｆｆ的靈逡逑敏度。逡逑Ｔｏｒｓｊｄｎａｌ邋ｓｕｐｐｏｒｔ邋ｆｌｅ

１．２．１平衡環(huán)式陀螺儀逡逑１９９１年，Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｓｔａｒｋ邋Ｄｒａｐｅｒ?qū)嶒?yàn)室開(kāi)發(fā)出第一款由扭轉(zhuǎn)繞曲梁支撐的雙平逡逑衡環(huán)陀螺儀，如圖１．１所示［１８］。該器件由ｐ型（Ｐ＋＋）重?fù)诫s硅制作。外環(huán)由驅(qū)逡逑動(dòng)電極激勵(lì)靜電扭矩在一個(gè)恒定振幅運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外界施加旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于科里奧利力逡逑的作用，內(nèi)環(huán)也會(huì)隨之發(fā)生諧振。當(dāng)內(nèi)外環(huán)的諧振頻率一致時(shí)，器件有最大分辨逡逑率。該器件采用閉環(huán)控制，在１邋Ｈｚ帶寬下，該器件的檢測(cè)能力為４邋°／ｓ。逡逑ｅ邋■邋［ｂｅ邋？ｙ邋－邋ｔｏ］邋？ｑＱＱ邐ｉ邋＾邋ＩＮＰＵＴ邋ＡＸＩＳ邋－邋ＩＮＰＵＴ邋ＩＮＥＲＴＵＬ邋ＡＮＧＵＬＡＲ邋ＲＡＴＥ邋Ｃｌ逡逑１邋Ｉ＊邋Ｊ逡逑ｙ—邋ＱＹＲＯ邋ＥＬＥＭＥＮＴ逡逑ＶＩＢＲＡＴＯＲＹ逡逑ＯＵＴＰＵＴ邋ＡＸＩＳ邋＆邐ＥＬＥＣＴＫＯＯＥＳ逡逑圖１．１邋Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｓｔａｒｋ邋Ｄｒａｐｅｒ?qū)嶒?yàn)室研制的雙平衡環(huán)陀螺儀丨１８１逡逑中東科技大學(xué)的學(xué)者在２０００年開(kāi)發(fā)了基于三層多晶硅材料的表面微加工工逡逑藝微機(jī)械陀螺儀［１９］。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了較大電容正對(duì)的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電極能施加更大的逡逑驅(qū)動(dòng)力，敏感電極可以檢測(cè)到較強(qiáng)的敏感信號(hào)，這樣整個(gè)器件的靈敏度得以提高，逡逑如圖１．２所示。并且該器件可以自主調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率與敏感頻率。當(dāng)外環(huán)在激勵(lì)的逡逑作用下扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，施加外界旋轉(zhuǎn)后，內(nèi)環(huán)也開(kāi)始扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。兩種振動(dòng)模態(tài)的頻逡逑率差在４．６５邋％，讀出電路檢測(cè)到的電容變化值在０．１邋ｆＦ，并達(dá)到４５邋ｍＶ／ｆｆ的靈逡逑敏度。逡逑Ｔｏｒｓｊｄｎａｌ邋ｓｕｐｐｏｒｔ邋ｆｌｅ
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TH824.3

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本文編號(hào)：2609492