微壳体谐振器的驱动、检测和封装研究

发布时间：2020-10-10 22:16

　　 半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyroscope,HRG)作为一种高精度、长寿命、高可靠性的惯性传感器,已广泛应用于导航系统中,在航空航天以及武器装备等国防军工领域发挥着重要作用。伴随着新一代微定位导航系统(Micro Position,Navigation and Timing,μPNT)对低成本和高性能陀螺仪的需求,基于微机电系统(Micro Electromechanical System,MEMS)技术的微半球陀螺(μHRG)成为了新的发展方向。μHRG在理论上可以达到HRG的性能,但是其微型化存在两个核心问题:一、高Q值微球壳体谐振器的设计与制备;二、微球壳体的高精度驱动和检测。这两个关键问题制约了当前微半球陀螺仪的发展。针对这些问题,本论文基于课题组前期研发的玻璃热成型方法,研究微半球壳体谐振子及其驱动与检测电极的设计、制备与微组装方案,还探索了谐振器圆片级真空封装方法。首先,基于静电传导理论提出了谐振子的电极设计方案。其中,非平面电极相比于平面电极方案,其工艺一致性较好,组装工艺相对简单,可以实现均匀的电容间距。谐振子子电极数为一组4n个,通过设计隔离电极可以降低子电极串扰。为了使谐振器实现陀螺表头的功能,讨论了谐振子电极的配置方案,力平衡模式下16个子电极的电极配置方案相对于8个子电极可以同时实现谐振模态的幅度控制、频率控制和正交控制,能更好地消除频率裂解。其次,研究了微壳体谐振子及其驱动与检测电极的设计、制备。基于热成型方法圆片级制备了微壳体谐振子,多普勒测振结果显示其二阶酒杯模态的谐振频率为19.26kHz。基于非平面电极方案,采用Lift-off工艺制备了非平面表面电极;采用玻璃回流工艺制备了非平面埋入式电极。对回流工艺中玻璃填充度与回流时间和电极尺寸参数的关系进行了探究。针对回流冷却过程中可能出现的结晶现象,对电极基板中玻璃的结晶度进行了XRD表征,回流6小时的玻璃结晶度为78.19%。谐振子和电极是分立制造的,故设计了电极与谐振子的微组装工艺,采用光刻胶作为牺牲层来定义谐振子与电极基板的组装间距,其一致性较好。最后,探索了一种基于阳极键合,通过玻璃微腔实现气密性封装的方案,可用于未来微壳体谐振子的真空封装。测得密封腔室的漏率为3.1×10~(-10)mbar?L/s。针对微壳体谐振器内部的空气损耗问题,基于薄膜流体模型,对压膜阻尼进行了理论计算,并用COMSOL Multiphysics软件仿真,得到了气体压强和压膜阻尼力的分布。结果显示谐振子下表面中央处受到的压膜阻尼最大。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;TN751.2
【部分图文】：

微型化成了新的研究热点。其中，以微半球谐振陀螺（Micromachined Hemispherical ResonatorGyroscope, μHRG）为代表的微型壳体谐振陀螺（Micromachined Shell Resonator Gyroscope, μSRG）因其特殊的结构和制造工艺，有望克服传统 MEMS 陀螺精度不高的缺点，是当前陀螺发展的主要趋势之一。本论文的主要目标是研制出微壳体谐振子的驱动器和检测器（通常为电极），并与谐振子组装和封装。本章首先对 HRG 和 μHRG 的发展历程进行论述，然后引出微壳体谐振器的相关研究。包括微壳体谐振子的设计与制备工艺、微壳体谐振子的驱动与检测、微壳体谐振子的组装与真空封装等。最后结合现有研究情况，给出了本论文的主要研究工作。1.1 课题背景和研究意义半球谐振陀螺作为一种测量物体旋转角度或角速度的惯性传感器，在航空航天、船舶导航、地质钻探、汽车和消费电子等一系列国防军工、国民经济领域具有重要应用[1]。美国 Delco 公司最早开始 HRG 的研制，于 1992 年发布了 4 个 HRG 组成的惯性参考单元（Inertial Reference Unit, IRU）并应用于波音客机。1994 年空间惯性参考单元（Space Inertial Reference Unit, SIRU）问世，在 NEAR号宇宙飞船小行星登陆、商业通信卫星、 CASSINI 号探测器土星环绕等任务中展现出极高性能[2]。美国 Northrop Grumman 公司也是 HRG 的主要研制单位，截至目前其生产的 HRG 惯性参考单元已在各项航天任务中以 100%的成功率运行了 1200 万小时。在惯性导航领域 HRG 成为了高性能、高精度、长寿命、高可靠性的代名词。

第一章 绪论1.2 国内外微半球谐振陀螺研究现状1.2.1 国外研究情况国外微半球谐振陀螺的研究开始于 2010 年前后，研究单位主要集中在美国。早在 2007 年加州大学欧文分校（UCI）就报道了圆片级制备玻璃球腔的方法[6]，为后续制备壳体谐振子打下基础。2010年 UCI 发表了第一篇关于微壳体谐振子的研究，通过玻璃吹制法制备了壳体谐振子，同时带有静电驱动电极[7]，如图 1-2 示。他们还比较了电磁驱动和静电驱动等不同驱动方式下谐振子的频率响应，证明微型壳体谐振子在信号处理、计时、频率控制和惯性传感等应用上的潜力。

2011 年 4 月，随着微半球谐振陀螺研究受到美国国防部先进研究计划局（DARPA）的立项支持，越来越多的单位参与了进来。主要单位有加州大学欧文分校（UCI）、密西根大学（Umich）、佐治亚理工学院（GIT）、康奈尔大学（Cornell）、犹他大学（Utah）、耶鲁大学（Yale）、加州大学伯克利分校（UCB）、加州大学戴维斯分校（UCD）、德雷柏实验室（DraperLab）、南加州大学（USC）、科罗拉多大学（Ucolo）等。国外研究的重点主要集中在谐振子的设计与制备、谐振模态的仿真与检测、谐振子性能测试与Q 值研究以及陀螺样机的研制与测试等。大部分单位的工作主要集中在前三个方向，目前有能力实现陀螺样机的只有 UCI、Umich、GIT 和 UCD。UCI 微系统实验室 Shkel 教授的课题组最早开始研究微壳体谐振子，相关工作报道较多。在谐振子振动原理方面，Prikhodko 等[8][9]从理论上分析了谐振子振动的四种基本模态，提出 4 节点和 6节点模态（即壳体做四波腹和六波腹驻波振动）比较稳定，适合作为工作振型。通过对其自然频率和谐振模态进行有限元分析，并与实际测试结果比较，证明了光滑的、高度对称的球壳结构适合作为谐振器件。该工作还进一步分析了壳体结构参数（球壳半径、球壳厚度、边界条件等）对谐振频率的影响，为后续结构设计工作奠定基础。Senkal 等人[10]首次提出了酒杯形（Wineglass）壳体谐振子的新结构，带有自对准柱子，进一步提高了对称性，如图 1-3 示。采用超低膨胀系数钛硅酸盐玻璃（Ultra-Low Expansion Titania Silicate Glass, ULE TSG）作为球壳材料降低了热弹性损耗，展现出制备高性能谐振器件的潜力。后来他们采用先玻璃吹制后激光切割的方法制备出光滑的半球壳酒杯形结构[11]，但激光容易对谐振子边缘造成损伤，且激光切割存在对准误差。
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本文编号：2835657