切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺设计理论与加工工艺研究
发布时间：2021-04-28 14:12
陀螺是测量运动载体旋转角速度的仪器,是惯性导航系统中重要的组成部分,在军用与民用领域都有广泛的应用。微机械陀螺是一种很有发展潜力的陀螺,与传统的陀螺相比,具有体积小、功耗低、集成度高、易于批量化生产等优点,在航空航天、无人控制、消费电子等领域都有巨大的应用前景。国外对微机械陀螺研究起步较早,目前市面上已经有高性能的微机械陀螺产品。但国外在微机械陀螺的产品与相关技术方面对我国严格控制,迫使我们必需研发具有自主知识产权的高性能微机械陀螺产品,打破国外的垄断与封锁。因此,研制高性能的微机械陀螺具有重要的战略意义。本实验室针对蝶翼式硅微陀螺开展了多年的研究,取得了丰硕的成果。但目前所研制的蝶翼式硅微陀螺采用法向静电力驱动,陀螺驱动模态的振动存在法向分量,使得驱动振幅与电容间隙互相制约,限制了性能的进一步提升。基于这一问题,本文提出了一种切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺结构,并对其工作原理、结构设计、加工工艺与误差分析等开展了研究,主要研究内容如下:1、切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺的基本工作原理。介绍了法向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺结构,结合静电吸合效应,分析了驱动振幅与电容间隙的相互限制;研究了切向...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与研究意义
1.2 国外研究综述
1.2.1 静电力驱动方式研究
1.2.2 加工工艺研究
1.3 国内研究综述
1.3.1 静电力驱动方式研究
1.3.2 加工工艺研究
1.4 实验室研究基础
1.5 论文主要研究内容
第二章 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺基础理论
2.1 法向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺简介
2.1.1 结构简介
2.1.2 存在不足
2.2 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺工作原理
2.2.1 平行板电容器静电力分析
2.2.2 总体结构及工作模态
2.2.3 敏感结构力学特性分析
2.3 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺动态特性分析
2.3.1 电容灵敏度分析
2.3.2 机械热噪声分析
2.4 驱动控制与信号检测方法
2.5 本章小结
第三章 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺设计
3.1 驱动梳齿设计
3.1.1 驱动梳齿分布方式设计
3.1.2 驱动梳齿长度设计
3.1.3 驱动梳齿宽度设计
3.2 敏感结构关键尺寸设计
3.3 驱动振幅分析
3.4 基于TGV的三层全对称结构设计
3.5 本章小结
第四章 关键加工工艺研究
4.1 硅敏感结构加工工艺研究
4.1.1 掩膜材料选取
4.1.2 掩膜板设计
4.1.3 刻蚀截止层材料选择
4.1.4 敏感结构加工工艺流程
4.2 TGV衬底加工工艺研究
4.2.1 玻璃回流工艺
4.2.2 硅深槽加工
4.2.3 玻璃回流关键参数研究
4.2.4 玻璃回流界面气密性验证
4.3 圆片级封装工艺研究
4.4 本章小结
第五章 误差分析与抑制
5.1 硅敏感结构加工误差分析与抑制
5.1.1 敏感结构厚度误差
5.1.2 矩形梁尺寸误差
5.1.3 侧壁陡直度误差
5.1.4 加工误差抑制
5.2 法向静电力误差分析与抑制
5.2.1 “硅-电极”两层结构法向静电力误差来源
5.2.2 键合对准误差对陀螺输出的影响
5.2.3 三层全对称结构对法向静电力误差的抑制
5.3 环境温度误差分析与抑制
5.3.1 温度误差对陀螺灵敏度的影响
5.3.2 静电负刚度效应
5.3.3 静电负刚度效应对温度误差的抑制
5.4 非线性误差分析
5.5 本章小结
第六章 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺性能测试
6.1 器件级封装陀螺性能测试
6.2 圆片级真空封装气密性测试
6.3 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 研究展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]An electrical-coupling-suppressing MEMS gyroscope with feed-forward coupling compensation and scalable fuzzy control[J]. Chunhua HE,Jimeng ZHANG,Qiancheng ZHAO,Qinwen HUANG,Zhenchuan YANG,Dacheng ZHANG,Guizhen YAN. Science China（Information Sciences）. 2017(04)
[2]A novel robust design method for the sense mode of a MEMS vibratory gyroscope based on fuzzy reliability and Taguchi design[J]. HE ChunHua,ZHAO QianCheng,HUANG QinWen,LIN LongTao,YANG ZhenChuan,ZHANG DaCheng,YAN GuiZhen. Science China（Technological Sciences）. 2017(02)
[3]惯性导航技术浅析[J]. 董进武. 仪表技术. 2017(01)
[4]论混合式惯性导航系统[J]. 冯培德. 中国惯性技术学报. 2016(03)
[5]基于9DOF IMU的AUV惯性导航技术研究[J]. 杨磊,庞硕,杨耀民,景春雷,高伟,刘庆亮,马俊. 计算机测量与控制. 2016(03)
[6]机载惯性导航技术综述[J]. 雷宏杰,张亚崇. 航空精密制造技术. 2016(01)
[7]基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状[J]. 李荣冰,刘建业,曾庆化,华冰. 中国惯性技术学报. 2004(06)
博士论文
[1]蝶翼式微陀螺零偏稳定性提升关键技术研究[D]. 侯占强.国防科学技术大学 2012
[2]全对称双级解耦微机械振动式陀螺研究[D]. 陈宏.哈尔滨工业大学 2008
[3]静电梳齿结构的MEMS分析和优化设计[D]. 李燕斌.华中科技大学 2008
[4]微结构的静电驱动特性研究[D]. 王洪喜.西安电子科技大学 2006
硕士论文
[1]梳齿式振动微机械谐振器的相关特性研究[D]. 许立.杭州电子科技大学 2010
本文编号：3165619
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：138 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与研究意义
1.2 国外研究综述
1.2.1 静电力驱动方式研究
1.2.2 加工工艺研究
1.3 国内研究综述
1.3.1 静电力驱动方式研究
1.3.2 加工工艺研究
1.4 实验室研究基础
1.5 论文主要研究内容
第二章 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺基础理论
2.1 法向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺简介
2.1.1 结构简介
2.1.2 存在不足
2.2 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺工作原理
2.2.1 平行板电容器静电力分析
2.2.2 总体结构及工作模态
2.2.3 敏感结构力学特性分析
2.3 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺动态特性分析
2.3.1 电容灵敏度分析
2.3.2 机械热噪声分析
2.4 驱动控制与信号检测方法
2.5 本章小结
第三章 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺设计
3.1 驱动梳齿设计
3.1.1 驱动梳齿分布方式设计
3.1.2 驱动梳齿长度设计
3.1.3 驱动梳齿宽度设计
3.2 敏感结构关键尺寸设计
3.3 驱动振幅分析
3.4 基于TGV的三层全对称结构设计
3.5 本章小结
第四章 关键加工工艺研究
4.1 硅敏感结构加工工艺研究
4.1.1 掩膜材料选取
4.1.2 掩膜板设计
4.1.3 刻蚀截止层材料选择
4.1.4 敏感结构加工工艺流程
4.2 TGV衬底加工工艺研究
4.2.1 玻璃回流工艺
4.2.2 硅深槽加工
4.2.3 玻璃回流关键参数研究
4.2.4 玻璃回流界面气密性验证
4.3 圆片级封装工艺研究
4.4 本章小结
第五章 误差分析与抑制
5.1 硅敏感结构加工误差分析与抑制
5.1.1 敏感结构厚度误差
5.1.2 矩形梁尺寸误差
5.1.3 侧壁陡直度误差
5.1.4 加工误差抑制
5.2 法向静电力误差分析与抑制
5.2.1 “硅-电极”两层结构法向静电力误差来源
5.2.2 键合对准误差对陀螺输出的影响
5.2.3 三层全对称结构对法向静电力误差的抑制
5.3 环境温度误差分析与抑制
5.3.1 温度误差对陀螺灵敏度的影响
5.3.2 静电负刚度效应
5.3.3 静电负刚度效应对温度误差的抑制
5.4 非线性误差分析
5.5 本章小结
第六章 切向静电力驱动蝶翼式硅微陀螺性能测试
6.1 器件级封装陀螺性能测试
6.2 圆片级真空封装气密性测试
6.3 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 研究展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]An electrical-coupling-suppressing MEMS gyroscope with feed-forward coupling compensation and scalable fuzzy control[J]. Chunhua HE,Jimeng ZHANG,Qiancheng ZHAO,Qinwen HUANG,Zhenchuan YANG,Dacheng ZHANG,Guizhen YAN. Science China（Information Sciences）. 2017(04)
[2]A novel robust design method for the sense mode of a MEMS vibratory gyroscope based on fuzzy reliability and Taguchi design[J]. HE ChunHua,ZHAO QianCheng,HUANG QinWen,LIN LongTao,YANG ZhenChuan,ZHANG DaCheng,YAN GuiZhen. Science China（Technological Sciences）. 2017(02)
[3]惯性导航技术浅析[J]. 董进武. 仪表技术. 2017(01)
[4]论混合式惯性导航系统[J]. 冯培德. 中国惯性技术学报. 2016(03)
[5]基于9DOF IMU的AUV惯性导航技术研究[J]. 杨磊,庞硕,杨耀民,景春雷,高伟,刘庆亮,马俊. 计算机测量与控制. 2016(03)
[6]机载惯性导航技术综述[J]. 雷宏杰,张亚崇. 航空精密制造技术. 2016(01)
[7]基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状[J]. 李荣冰,刘建业,曾庆化,华冰. 中国惯性技术学报. 2004(06)
博士论文
[1]蝶翼式微陀螺零偏稳定性提升关键技术研究[D]. 侯占强.国防科学技术大学 2012
[2]全对称双级解耦微机械振动式陀螺研究[D]. 陈宏.哈尔滨工业大学 2008
[3]静电梳齿结构的MEMS分析和优化设计[D]. 李燕斌.华中科技大学 2008
[4]微结构的静电驱动特性研究[D]. 王洪喜.西安电子科技大学 2006
硕士论文
[1]梳齿式振动微机械谐振器的相关特性研究[D]. 许立.杭州电子科技大学 2010
本文编号：3165619
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