静电驱动微机械陀螺仪的研究

发布时间：2020-03-31 19:41

【摘要】：微机械陀螺仪是一种重要的惯性仪器,主要用来测量物体的旋转角速度或角加速度。它在消费电子、汽车、国防制导、航空航天等领域具有广泛应用。我国在这个领域的研究滞后于西方发达国家,特别是高性能的微机械陀螺仪核心器件的研究还处于起步阶段。本文提出一种全对称的多环振动结构静电驱动微机械陀螺仪,从理论基础、工作原理、结构设计、性能仿真、加工工艺、器件测试等几个方面进行了研究,主要包括以下内容:(1)静电驱动微机械陀螺仪的理论研究。详细分析了微机械陀螺仪理论基础科里奥利效应,建立质量弹簧阻尼模型;利用机械动力学分析器件性能并得到机械灵敏度表达式;基于微机械陀螺仪静电驱动、电容检测的原理,分析了提高微机械陀螺仪性能的方法并着重就静电调修进行分析。(2)静电驱动微机械陀螺仪的基本结构设计与仿真。通过比较选型,确立多环结构为本陀螺仪的基本设计类型;利用计算机软件对器件进行模态分析,得到驱动模态的谐振频率为21052 Hz,敏感模态的谐振频率为21545 Hz;分析了阻尼对器件性能的影响,利用谐响应分析计算了不同固定阻尼比与器件振幅的关系;分析了外界冲击对器件性能的影响,利用瞬态动力学分析得到器件X轴可以承受最大加速度为8.842×105 g,Z轴可以承受最大加速度为1.9×106 g。(3)静电驱动微机械陀螺仪的MEMS工艺设计与流片实验。设计了基于SOI硅片的工艺并进行流片;优化了湿法刻蚀释放结构的工艺;分析了器件衬底漏电的机理,并利用计算机软件进行仿真计算;设计了基于硅玻璃键合的工艺并进行流片;优化了玻璃凹槽湿法刻蚀工艺设计与圆片键合工艺。(4)静电驱动微机械谐振器件的测试。分析了主要的几种MEMS谐振器件的测试方法;基于矢量网络分析仪、真空腔、跨阻放大器等设备,对器件进行扫频测试,得到驱动轴的谐振频率为23686.25 Hz,敏感轴的谐振频率为23980 Hz;基于静电调修原理,对器件施加2.5 V静电调修电压,两个模态的频率裂解从293.75 Hz下降到6.25 Hz,提高了器件的性能。
【图文】：

１．２．１平衡环式陀螺仪逡逑１９９１年，Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｓｔａｒｋ邋Ｄｒａｐｅｒ实验室开发出第一款由扭转绕曲梁支撑的双平逡逑衡环陀螺仪，如图１．１所示［１８］。该器件由ｐ型（Ｐ＋＋）重掺杂硅制作。外环由驱逡逑动电极激励静电扭矩在一个恒定振幅运动。当外界施加旋转时，由于科里奥利力逡逑的作用，内环也会随之发生谐振。当内外环的谐振频率一致时，器件有最大分辨逡逑率。该器件采用闭环控制，在１邋Ｈｚ带宽下，该器件的检测能力为４邋°／ｓ。逡逑ｅ邋■邋［ｂｅ邋？ｙ邋－邋ｔｏ］邋？ｑＱＱ逦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＆逦ＥＬＥＣＴＫＯＯＥＳ逡逑图１．１邋Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｓｔａｒｋ邋Ｄｒａｐｅｒ实验室研制的双平衡环陀螺仪丨１８１逡逑中东科技大学的学者在２０００年开发了基于三层多晶硅材料的表面微加工工逡逑艺微机械陀螺仪［１９］。该结构设计了较大电容正对的结构，驱动电极能施加更大的逡逑驱动力，敏感电极可以检测到较强的敏感信号，这样整个器件的灵敏度得以提高，逡逑如图１．２所示。并且该器件可以自主调节驱动频率与敏感频率。当外环在激励的逡逑作用下扭转运动时，施加外界旋转后，内环也开始扭转振动。两种振动模态的频逡逑率差在４．６５邋％，，读出电路检测到的电容变化值在０．１邋ｆＦ，并达到４５邋ｍＶ／ｆｆ的灵逡逑敏度。逡逑Ｔｏｒｓｊｄｎａｌ邋ｓｕｐｐｏｒｔ邋ｆｌｅ

１．２．１平衡环式陀螺仪逡逑１９９１年，Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｓｔａｒｋ邋Ｄｒａｐｅｒ实验室开发出第一款由扭转绕曲梁支撑的双平逡逑衡环陀螺仪，如图１．１所示［１８］。该器件由ｐ型（Ｐ＋＋）重掺杂硅制作。外环由驱逡逑动电极激励静电扭矩在一个恒定振幅运动。当外界施加旋转时，由于科里奥利力逡逑的作用，内环也会随之发生谐振。当内外环的谐振频率一致时，器件有最大分辨逡逑率。该器件采用闭环控制，在１邋Ｈｚ带宽下，该器件的检测能力为４邋°／ｓ。逡逑ｅ邋■邋［ｂｅ邋？ｙ邋－邋ｔｏ］邋？ｑＱＱ逦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＆逦ＥＬＥＣＴＫＯＯＥＳ逡逑图１．１邋Ｃｈａｒｌｅｓ邋Ｓｔａｒｋ邋Ｄｒａｐｅｒ实验室研制的双平衡环陀螺仪丨１８１逡逑中东科技大学的学者在２０００年开发了基于三层多晶硅材料的表面微加工工逡逑艺微机械陀螺仪［１９］。该结构设计了较大电容正对的结构，驱动电极能施加更大的逡逑驱动力，敏感电极可以检测到较强的敏感信号，这样整个器件的灵敏度得以提高，逡逑如图１．２所示。并且该器件可以自主调节驱动频率与敏感频率。当外环在激励的逡逑作用下扭转运动时，施加外界旋转后，内环也开始扭转振动。两种振动模态的频逡逑率差在４．６５邋％，读出电路检测到的电容变化值在０．１邋ｆＦ，并达到４５邋ｍＶ／ｆｆ的灵逡逑敏度。逡逑Ｔｏｒｓｊｄｎａｌ邋ｓｕｐｐｏｒｔ邋ｆｌｅ
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH824.3

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本文编号：2609492