陀螺儀是運(yùn)動(dòng)測(cè)量、慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)控制等領(lǐng)域的核心器件。微半球諧振陀螺是最具發(fā)展?jié)摿Φ耐勇葜?具有動(dòng)態(tài)范圍大、精度高、抗沖擊性能好等特點(diǎn),而且體積小、成本低、功耗小。提高品質(zhì)因數(shù)對(duì)微半球諧振陀螺的機(jī)械靈敏度和零偏穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)有直接影響。本文從熱彈性損耗、表面損耗和支撐損耗等基本損耗機(jī)理出發(fā),結(jié)合表面金屬化、裝配與封裝等相關(guān)工藝,對(duì)提升微半球諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的機(jī)理和方法展開(kāi)研究,為制造高性能的微陀螺提供工藝和技術(shù)支撐。主要研究?jī)?nèi)容如下:1、分析了影響微半球諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的基本因素。介紹了品質(zhì)因數(shù)的基本概念和測(cè)試方法,結(jié)合微半球諧振結(jié)構(gòu)的制造工藝,分析了表面金屬化和結(jié)構(gòu)真空封裝等因素對(duì)品質(zhì)因數(shù)的潛在影響。2、優(yōu)化了微半球諧振結(jié)構(gòu)的加工與裝配工藝。介紹了微半球諧振結(jié)構(gòu)與電極裝配的基本方法,設(shè)計(jì)并制作了基于電容檢測(cè)的可調(diào)對(duì)準(zhǔn)平臺(tái),用于解決環(huán)向電容間隙不一致問(wèn)題。探索了金錫鍵合實(shí)現(xiàn)諧振結(jié)構(gòu)和電極基板微裝配的工藝,實(shí)現(xiàn)了諧振結(jié)構(gòu)與電極的穩(wěn)定裝配。3、研究了表面金屬化對(duì)諧振結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)的影響。建立了金屬膜-石英材料復(fù)合層結(jié)構(gòu)有限元模型,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)得到表面金屬膜層越薄,諧振結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)... 

【文章來(lái)源】：國(guó)防科技大學(xué)湖南省 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

密歇根大學(xué)研制的熔融石英諧振結(jié)構(gòu)

國(guó)防科技大學(xué)研究生院專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文第3頁(yè)品質(zhì)因數(shù)為2.49×105[16]，如圖1.2所示。圖1.2Birdbath微半球陀螺2015年，密歇根大學(xué)結(jié)合微噴燈吹制和焊接工藝，制造了一種高Q值酒杯狀微半球諧振結(jié)構(gòu)，在小于10μTorr的真空環(huán)境下測(cè)試，工作模態(tài)下未鍍膜諧振結(jié)構(gòu)頻率為22.6kHz，品質(zhì)因數(shù)達(dá)到2.55×106，如圖1.3所示[17]。圖1.3微半球諧振結(jié)構(gòu)2017年，密歇根大學(xué)采用高溫噴燈吹制技術(shù)以及研磨釋放工藝，加工制造出了半徑為5mm和半徑為2.5mm兩種Birdbath結(jié)構(gòu)，如圖1.4。這種工藝加工出的諧振結(jié)構(gòu)一體吹制加工，半球和支撐結(jié)構(gòu)連接平滑，表面質(zhì)量高。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在未鍍膜情況下半徑5mm的結(jié)構(gòu)諧振頻率在10.957kHz左右，Q值可達(dá)到981萬(wàn)，半徑2.5mm的結(jié)構(gòu)諧振頻率在9.162kHz左右，Q值可達(dá)到587萬(wàn)[18]。圖1.4兩種尺寸實(shí)物圖在裝配方面，密歇根大學(xué)2017年針對(duì)以往的裝配方案存在一致性差、電極間隙難以保證的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的微裝配方案，如圖1.5。采用電鍍光刻膠（EP）作為犧牲層，從側(cè)面生長(zhǎng)制作金屬電極面，解決了側(cè)壁電極間隙一致性難以保證的問(wèn)題，其零偏穩(wěn)定性達(dá)到了0.0391deg/hr，是目前報(bào)道的最高水平。

國(guó)防科技大學(xué)研究生院專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文第4頁(yè)圖1.5密歇根大學(xué)提出的犧牲層微裝配方案加州大學(xué)采用高溫玻璃熱變形工藝研制出了微半球陀螺樣機(jī)，但是受pyrex玻璃材料特性的限制，難以實(shí)現(xiàn)高Q值微半球諧振結(jié)構(gòu)的加工。針對(duì)此問(wèn)題，2013年，加州大學(xué)采用熔融石英、低膨脹系數(shù)TiO2硅酸鹽玻璃（ULETSG）作為諧振結(jié)構(gòu)材料，將深刻蝕后帶凹槽的熔融石英圓片與熔融石英或者ULETSG通過(guò)等離子體鍵合在一起，利用玻璃吹制工藝加工出來(lái)的諧振結(jié)構(gòu)具有較好的結(jié)構(gòu)對(duì)稱度和表面加工質(zhì)量，表面粗糙度僅為0.23nm，半徑加工誤差小于500ppm，具有高品質(zhì)因數(shù)發(fā)展?jié)摿21-22]，如圖1.6所示。圖1.6熔融石英和TSG微半球諧振結(jié)構(gòu)另外加州大學(xué)提出了將面外電極結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微半球諧振陀螺的靜電驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)，采用玻璃吹制工藝實(shí)現(xiàn)了面外電極結(jié)構(gòu)的批量化加工工藝，加工基于面外電極酒杯狀微半球諧振結(jié)構(gòu)，利用犧牲層工藝保證了電極間隙的精確加工，通過(guò)面外電極結(jié)構(gòu)檢測(cè)諧振結(jié)構(gòu)面外變形的方式對(duì)諧振結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行測(cè)試，諧振頻率為105kHz，頻率不對(duì)稱度為132ppm，品質(zhì)因數(shù)高達(dá)106，如圖1.7所示。圖1.7基于面外電極的熔融石英微半球諧振陀螺2017年，加州大學(xué)裝配前在電極上沉積5um厚犧牲層，很好的實(shí)現(xiàn)了電容間

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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