本文關鍵詞：高性能MEMS慣性器件工程化關鍵技術研究　出處：《中國航天科技集團公司第一研究院》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：MEMS慣性技術的發(fā)展把基于旋轉和非旋轉的慣性器件從宏觀概念向微觀世界推進了一大步。近年來,特別是微納加工技術與振動慣性技術的有機結合使慣性儀表技術發(fā)生了重大的變革,因而大大拓展了慣性技術在軍用和民用領域中的應用[1]。高性能MEMS慣性器件將對國民經(jīng)濟和軍事裝備起到越來越大的作用。論文針對工程應用需求,對兩種典型的MEMS慣性器件——MEMS陀螺儀和MEMS加速度計的設計、工藝、電路、測試及應用方法等工程化關鍵技術進行了研究。論文的主要研究內容和研究成果如下:開展了雙質量線振動MEMS陀螺儀和“三明治”式MEMS加速度計的結構機理與方案研究。解決了MEMS陀螺儀大角速率輸入下的頻率漂移及由此引起的線性度問題,提出了一種機械及熱應力隔離結構,改善了MEMS敏感結構的力學特性和溫度特性。開展了高精度體硅MEMS干法和濕法工藝加工技術研究,提出MEMS敏感結構工藝參數(shù)晶圓級在線控制方法,建立了微精密結構與工藝參數(shù)的影響關系模型,實現(xiàn)MEMS陀螺敏感結構諧振頻率關鍵參數(shù)的在線控制,提高了加工精度和成品率。解決了三層MEMS結構鍵合、腔體結構劃切、高Q值真空封裝、低應力粘接等工藝關鍵技術,開展了鍵合質量在線檢測技術研究。開展了MEMS慣性儀表系統(tǒng)級仿真研究,加快了MEMS慣性儀表設計驗證進程。開展了陀螺儀檢測軸閉環(huán)、模態(tài)匹配等閉環(huán)工作,提高儀表精度。開展了MEMS加速度計靜電力負剛度研究,實現(xiàn)了非最小相位系統(tǒng)閉環(huán)控制。開展了MEMS慣性儀表的溫度誤差建模與補償工作研究。開展了MEMS慣性儀表的力學環(huán)境適應性和空間環(huán)境適應性研究,通過復合力學環(huán)境試驗確定各類力學環(huán)境對MEMS慣性儀表的影響,開展了儀表減振設計;開展了MEMS慣性儀表敏感結構測試及整表測試技術研究,為提高測試效率開展了自動化測試研究。成功研制了多種MEMS慣性儀表的工程樣機和應用產(chǎn)品,開展了MEMS慣性器件應用研究工作。大量程MEMS陀螺儀在高速旋轉導彈型號取得批量應用。解決了偏航MEMS角速度傳感器交叉耦合、力學環(huán)境適應性、波形畸變等問題,偏航角速度傳感器成功應用于旋轉導彈阻尼回路。突破宇航應用可靠性和空間環(huán)境適應性技術,MEMS加速度計在“玉兔號”月球車上取得應用,實現(xiàn)了國產(chǎn)MEMS慣性儀表唯一深空探測應用。實現(xiàn)MEMS陀螺儀和MEMS加速度計產(chǎn)品在XY-2衛(wèi)星平臺測振應用。
[Abstract]:The development of MEMS inertial technology has advanced the inertial devices based on rotation and non-rotation from the macro concept to the micro world. Especially, the organic combination of micro and nano machining technology and vibration inertial technology has greatly changed the inertial instrument technology, thus greatly expanding the application of inertial technology in military and civil fields. [1. High performance MEMS inertial devices will play a more and more important role in national economy and military equipment. The design, process and circuit of two typical MEMS inertial devices, MEMS gyroscopes and MEMS accelerometers are presented. The main contents and results of this paper are as follows: the dual mass line vibration MEMS gyroscope and "sandwich" are carried out. The structure mechanism and scheme of MEMS accelerometer are studied. The frequency drift and the linearity caused by the input of MEMS gyroscope at large angular rate are solved. A mechanical and thermal stress isolation structure is proposed to improve the mechanical and temperature characteristics of MEMS sensitive structures. The dry and wet processing techniques for bulk silicon MEMS with high accuracy are studied. An on-line control method for wafer level of MEMS sensitive structure process parameters is presented, and a model of the relationship between microprecision structure and process parameters is established. The key parameters of resonant frequency of MEMS gyroscope are controlled on line, and the machining precision and yield are improved. The bonding of three-layer MEMS structure, the cutting of cavity structure and the vacuum packaging of high Q value are solved. The key technology of low stress bonding, such as bonding quality on-line detection, and MEMS inertial instrument system-level simulation are studied. The design and verification process of MEMS inertial instrument is accelerated. The closed-loop work of gyroscope testing shaft and mode matching is carried out to improve the precision of the instrument. The research on the negative static power stiffness of MEMS accelerometer is carried out. The closed-loop control of non-minimum phase system is realized. The temperature error modeling and compensation of MEMS inertial instrument are studied. The adaptability of mechanical environment and space environment of MEMS inertial instrument is studied. . The influence of all kinds of mechanical environment on MEMS inertial instrument is determined by the test of compound mechanical environment, and the design of instrument vibration reduction is carried out. The research on sensitive structure test and integral meter testing technology of MEMS inertial instrument is carried out. In order to improve the test efficiency, the automatic test research has been carried out, and various engineering prototypes and application products of MEMS inertial instruments have been successfully developed. The research work of MEMS inertial device application is carried out. A large number of MEMS gyroscopes are applied in batch in high-speed rotating missile model. The cross-coupling of yaw MEMS angular velocity sensor is solved. The yaw angular velocity sensor has been successfully applied to the damping loop of rotating missile, and the reliability of aerospace application and the adaptability of space environment have been broken through. MEMS accelerometer has been applied to the lunar rover Yutu. The unique deep space detection application of domestic MEMS inertial instrument is realized, and the application of MEMS gyroscope and MEMS accelerometer in the XY-2 satellite platform is realized.
【學位授予單位】：中國航天科技集團公司第一研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH824.4;TN96

【參考文獻】

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本文編號：1367901