熔融石英微半球谐振陀螺品质因数提升技术研究
发布时间：2020-12-11 12:29
陀螺仪是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件。微半球谐振陀螺是最具发展潜力的陀螺之一,具有动态范围大、精度高、抗冲击性能好等特点,而且体积小、成本低、功耗小。提高品质因数对微半球谐振陀螺的机械灵敏度和零偏稳定性等关键性能指标有直接影响。本文从热弹性损耗、表面损耗和支撑损耗等基本损耗机理出发,结合表面金属化、装配与封装等相关工艺,对提升微半球谐振结构品质因数的机理和方法展开研究,为制造高性能的微陀螺提供工艺和技术支撑。主要研究内容如下:1、分析了影响微半球谐振结构品质因数的基本因素。介绍了品质因数的基本概念和测试方法,结合微半球谐振结构的制造工艺,分析了表面金属化和结构真空封装等因素对品质因数的潜在影响。2、优化了微半球谐振结构的加工与装配工艺。介绍了微半球谐振结构与电极装配的基本方法,设计并制作了基于电容检测的可调对准平台,用于解决环向电容间隙不一致问题。探索了金锡键合实现谐振结构和电极基板微装配的工艺,实现了谐振结构与电极的稳定装配。3、研究了表面金属化对谐振结构品质因数的影响。建立了金属膜-石英材料复合层结构有限元模型,通过仿真和实验得到表面金属膜层越薄,谐振结构的品质因数...
【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】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
密歇根大学研制的熔融石英谐振结构
国防科技大学研究生院专业学位硕士学位论文第3页品质因数为2.49×105[16]，如图1.2所示。图1.2Birdbath微半球陀螺2015年，密歇根大学结合微喷灯吹制和焊接工艺，制造了一种高Q值酒杯状微半球谐振结构，在小于10μTorr的真空环境下测试，工作模态下未镀膜谐振结构频率为22.6kHz，品质因数达到2.55×106，如图1.3所示[17]。图1.3微半球谐振结构2017年，密歇根大学采用高温喷灯吹制技术以及研磨释放工艺，加工制造出了半径为5mm和半径为2.5mm两种Birdbath结构，如图1.4。这种工艺加工出的谐振结构一体吹制加工，半球和支撑结构连接平滑，表面质量高。经过测试，在未镀膜情况下半径5mm的结构谐振频率在10.957kHz左右，Q值可达到981万，半径2.5mm的结构谐振频率在9.162kHz左右，Q值可达到587万[18]。图1.4两种尺寸实物图在装配方面，密歇根大学2017年针对以往的装配方案存在一致性差、电极间隙难以保证的问题，提出了一种改进的微装配方案，如图1.5。采用电镀光刻胶（EP）作为牺牲层，从侧面生长制作金属电极面，解决了侧壁电极间隙一致性难以保证的问题，其零偏稳定性达到了0.0391deg/hr，是目前报道的最高水平。
国防科技大学研究生院专业学位硕士学位论文第4页图1.5密歇根大学提出的牺牲层微装配方案加州大学采用高温玻璃热变形工艺研制出了微半球陀螺样机，但是受pyrex玻璃材料特性的限制，难以实现高Q值微半球谐振结构的加工。针对此问题，2013年，加州大学采用熔融石英、低膨胀系数TiO2硅酸盐玻璃（ULETSG）作为谐振结构材料，将深刻蚀后带凹槽的熔融石英圆片与熔融石英或者ULETSG通过等离子体键合在一起，利用玻璃吹制工艺加工出来的谐振结构具有较好的结构对称度和表面加工质量，表面粗糙度仅为0.23nm，半径加工误差小于500ppm，具有高品质因数发展潜力[21-22]，如图1.6所示。图1.6熔融石英和TSG微半球谐振结构另外加州大学提出了将面外电极结构应用于微半球谐振陀螺的静电驱动和电容检测，采用玻璃吹制工艺实现了面外电极结构的批量化加工工艺，加工基于面外电极酒杯状微半球谐振结构，利用牺牲层工艺保证了电极间隙的精确加工，通过面外电极结构检测谐振结构面外变形的方式对谐振结构性能进行测试，谐振频率为105kHz，频率不对称度为132ppm，品质因数高达106，如图1.7所示。图1.7基于面外电极的熔融石英微半球谐振陀螺2017年，加州大学装配前在电极上沉积5um厚牺牲层，很好的实现了电容间
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS硅半球陀螺球面电极成形工艺[J]. 庄须叶,喻磊,王新龙,李平华,吕东锋,郭群英. 光学精密工程. 2016(11)
[2]半球谐振陀螺温度特性及补偿分析[J]. 周强,覃施甦,方海斌,方针,江黎,申军鸣. 压电与声光. 2015(05)
[3]磁控溅射技术的原理与发展[J]. 王俊,郝赛. 科技创新与应用. 2015(02)
[4]超导陀螺仪转子位置偏移的光电检测方法[J]. 朱炼,孙枫,夏芳莉,韩瑜. 宜春学院学报. 2014(12)
[5]现代军用MEMS惯性传感器技术进展[J]. 李红光. 传感器与微系统. 2014(08)
[6]微机械陀螺品质因数的在线测量方法[J]. 王安成,胡小平,罗兵,王谱华. 国防科技大学学报. 2014(03)
[7]《熔融石英》行业标准研究及制订[J]. 苗雪原,薄雷明. 硅谷. 2013(13)
[8]力平衡模式下半球谐振陀螺正交误差控制[J]. 王旭,吴文启,方针,罗兵,李云. 仪器仪表学报. 2012(04)
[9]陀螺仪性能参数表征与评定[J]. 张树侠,何昆鹏. 导航与控制. 2010 (02)
[10]MEMS陀螺仪器件级真空封装技术[J]. 施芹,苏岩,裘安萍,朱欣华. 光学精密工程. 2009(08)
博士论文
[1]多层结构微梁微板谐振器的热弹性阻尼机理与模型[D]. 左万里.东南大学 2016
[2]半球谐振陀螺仪的误差机理分析与测试[D]. 李巍.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]微玻璃半球谐振陀螺的结构设计及工艺研究[D]. 白冰.中北大学 2017
[2]微型壳体振动陀螺谐振结构加工工艺优化[D]. 石岩.国防科学技术大学 2016
[3]“酒杯状”微壳体振动陀螺结构设计与加工工艺研究[D]. 卢坤.国防科学技术大学 2015
[4]圆柱壳体振动陀螺非接触式驱动与检测技术研究[D]. 王剑秋.国防科学技术大学 2014
[5]旋转对称结构微型壳体振动陀螺谐振结构加工工艺研究[D]. 李微.国防科学技术大学 2014
[6]微机械陀螺仪的封装研究[D]. 李亚山.中北大学 2011
[7]杯形波动陀螺的结构设计与精度分析[D]. 席翔.国防科学技术大学 2010
本文编号：2910526
【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】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
密歇根大学研制的熔融石英谐振结构
国防科技大学研究生院专业学位硕士学位论文第3页品质因数为2.49×105[16]，如图1.2所示。图1.2Birdbath微半球陀螺2015年，密歇根大学结合微喷灯吹制和焊接工艺，制造了一种高Q值酒杯状微半球谐振结构，在小于10μTorr的真空环境下测试，工作模态下未镀膜谐振结构频率为22.6kHz，品质因数达到2.55×106，如图1.3所示[17]。图1.3微半球谐振结构2017年，密歇根大学采用高温喷灯吹制技术以及研磨释放工艺，加工制造出了半径为5mm和半径为2.5mm两种Birdbath结构，如图1.4。这种工艺加工出的谐振结构一体吹制加工，半球和支撑结构连接平滑，表面质量高。经过测试，在未镀膜情况下半径5mm的结构谐振频率在10.957kHz左右，Q值可达到981万，半径2.5mm的结构谐振频率在9.162kHz左右，Q值可达到587万[18]。图1.4两种尺寸实物图在装配方面，密歇根大学2017年针对以往的装配方案存在一致性差、电极间隙难以保证的问题，提出了一种改进的微装配方案，如图1.5。采用电镀光刻胶（EP）作为牺牲层，从侧面生长制作金属电极面，解决了侧壁电极间隙一致性难以保证的问题，其零偏稳定性达到了0.0391deg/hr，是目前报道的最高水平。
国防科技大学研究生院专业学位硕士学位论文第4页图1.5密歇根大学提出的牺牲层微装配方案加州大学采用高温玻璃热变形工艺研制出了微半球陀螺样机，但是受pyrex玻璃材料特性的限制，难以实现高Q值微半球谐振结构的加工。针对此问题，2013年，加州大学采用熔融石英、低膨胀系数TiO2硅酸盐玻璃（ULETSG）作为谐振结构材料，将深刻蚀后带凹槽的熔融石英圆片与熔融石英或者ULETSG通过等离子体键合在一起，利用玻璃吹制工艺加工出来的谐振结构具有较好的结构对称度和表面加工质量，表面粗糙度仅为0.23nm，半径加工误差小于500ppm，具有高品质因数发展潜力[21-22]，如图1.6所示。图1.6熔融石英和TSG微半球谐振结构另外加州大学提出了将面外电极结构应用于微半球谐振陀螺的静电驱动和电容检测，采用玻璃吹制工艺实现了面外电极结构的批量化加工工艺，加工基于面外电极酒杯状微半球谐振结构，利用牺牲层工艺保证了电极间隙的精确加工，通过面外电极结构检测谐振结构面外变形的方式对谐振结构性能进行测试，谐振频率为105kHz，频率不对称度为132ppm，品质因数高达106，如图1.7所示。图1.7基于面外电极的熔融石英微半球谐振陀螺2017年，加州大学装配前在电极上沉积5um厚牺牲层，很好的实现了电容间
【参考文献】：
期刊论文
[1]MEMS硅半球陀螺球面电极成形工艺[J]. 庄须叶,喻磊,王新龙,李平华,吕东锋,郭群英. 光学精密工程. 2016(11)
[2]半球谐振陀螺温度特性及补偿分析[J]. 周强,覃施甦,方海斌,方针,江黎,申军鸣. 压电与声光. 2015(05)
[3]磁控溅射技术的原理与发展[J]. 王俊,郝赛. 科技创新与应用. 2015(02)
[4]超导陀螺仪转子位置偏移的光电检测方法[J]. 朱炼,孙枫,夏芳莉,韩瑜. 宜春学院学报. 2014(12)
[5]现代军用MEMS惯性传感器技术进展[J]. 李红光. 传感器与微系统. 2014(08)
[6]微机械陀螺品质因数的在线测量方法[J]. 王安成,胡小平,罗兵,王谱华. 国防科技大学学报. 2014(03)
[7]《熔融石英》行业标准研究及制订[J]. 苗雪原,薄雷明. 硅谷. 2013(13)
[8]力平衡模式下半球谐振陀螺正交误差控制[J]. 王旭,吴文启,方针,罗兵,李云. 仪器仪表学报. 2012(04)
[9]陀螺仪性能参数表征与评定[J]. 张树侠,何昆鹏. 导航与控制. 2010 (02)
[10]MEMS陀螺仪器件级真空封装技术[J]. 施芹,苏岩,裘安萍,朱欣华. 光学精密工程. 2009(08)
博士论文
[1]多层结构微梁微板谐振器的热弹性阻尼机理与模型[D]. 左万里.东南大学 2016
[2]半球谐振陀螺仪的误差机理分析与测试[D]. 李巍.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]微玻璃半球谐振陀螺的结构设计及工艺研究[D]. 白冰.中北大学 2017
[2]微型壳体振动陀螺谐振结构加工工艺优化[D]. 石岩.国防科学技术大学 2016
[3]“酒杯状”微壳体振动陀螺结构设计与加工工艺研究[D]. 卢坤.国防科学技术大学 2015
[4]圆柱壳体振动陀螺非接触式驱动与检测技术研究[D]. 王剑秋.国防科学技术大学 2014
[5]旋转对称结构微型壳体振动陀螺谐振结构加工工艺研究[D]. 李微.国防科学技术大学 2014
[6]微机械陀螺仪的封装研究[D]. 李亚山.中北大学 2011
[7]杯形波动陀螺的结构设计与精度分析[D]. 席翔.国防科学技术大学 2010
本文编号：2910526
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