MEMS半球谐振陀螺仪三维对称谐振子工艺研究
发布时间：2021-09-04 03:43
基于MEMS加工技术的微半球谐振陀螺在吸收了传统半球陀螺全角测量优势的同时具有体积小、质量轻、成本低以及适合批量化生产的特点。在使用牺牲层法来制备微半球壳层结构的过程中,如何在单晶硅上制作一个表面光滑的、结构整体对称性高的半球型模具对于半球谐振子的性能有决定性的影响。而采用传统HNA溶液腐蚀工艺会使得半球谐子的纵向对称性较差,进而导致半球谐振陀螺抗水平和垂直加速度的综合性能较差。因此,为了实现三维对称半球谐振陀螺仪的制作,迫切需要开展针对使用HNA腐蚀溶液制作微半球陀螺谐振器模具的过程中加快纵向腐蚀速率及实现半球谐振子三维对称的研究。基于以上研究目的,本文的主要研究工作和结论如下如下:（1）针对传统HNA溶液腐蚀法难以实现半球谐振子模具三维对称的难题,提出了使用热氧化工艺生长的二氧化硅材料作为掩膜层的方法,以达到在在使用HNA溶液制作微半球谐振子模具的过程中加快纵向腐蚀速率及实现半球模具三维对称的目的。并针对该方法,设计和实施了较大腐蚀窗半径和较小腐蚀窗半径下的单晶硅腐蚀形貌演化规律的探究实验。（2）总结和分析了 HNA溶液腐蚀较大腐蚀窗半径以及较小腐蚀窗半径下单晶硅样品的形貌演化规律...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１半球谐振陀螺仪工作原理图１１１??半球谐振陀螺仪中的半球谐振子通常采用低热膨胀系数高品质因子的材料来制造，??
?ＭＥＭＳ半球谐振陀螺仪三维对称谐振子工艺研究???动陀螺仪。在理想的条件下，当陀螺处于静止状态时，唇缘驻波的波腹与波节点将固定??于谐振子唇缘的某一位置。而当谐振子以一定的角速度绕垂直于谐振子振动平面的某一??轴线旋转时，科里奥利加速度将会使得振形发生改变，即在沿谐振子水平直径方向的驱??动力上附加了一个切向力，于是引起振动波形与谐振子的相对位置发生改变。振动波形??的偏转方向与基座的旋转方向相反，振动波形的位移速率与输入的旋转速率成正比，且??该比例系数为一个常数，只与谐振子的形貌参数和材料性质有关，与输入的角速率大小??无关［５］。??ｉｌｌ?＊，?ｊ＂?外??舊寥??外ｖｔ??图１．１半球谐振陀螺仪工作原理图１１１??半球谐振陀螺仪中的半球谐振子通常采用低热膨胀系数高品质因子的材料来制造，??因此使得其具有极高的尺寸以及振动稳定性，而其半球形的结构使得振动部分具有极小??的约束力，静电力的控制方式对半球谐振子振动的稳定性影响也较小，因此使得半球谐??振陀螺仪具有可靠性高以及使用寿命长的优点，并且可以在角速度模式（ＲＣ）或角速??度积分模式模式下（ＲＩＣ，又称全角度模式）工作。典型的半球谐振陀螺仪主要由三部??分组成，分别是：力发生器，半球谐振子以及检测部［５＿８］，??ｊ?—?１?０＇１＇４??＾??＾??图１．２半球谐振陀螺仪结构图１５１??２??
?ＭＥＭＳ半球谐振陀螺仪三维对称谐振子工艺研究???”?ｉ??Ｉ??图１．３密歇根大学微玻璃吹制法制作的半球谐振陀螺仪结构图和电镜图１１２１??加州大学Ｉｒｖｉｎｅ分校采用硼娃玻璃材料作为微半球壳层材料，将微半球壳体与电极、??基座一体集成制作。在惰性气体氛围下，作为壳体材料的硼硅玻璃与刻蚀有环形槽的硅??基地阳极进行键合，再图形化刻蚀硼硅玻璃，然后放入加热装置加热的同时抽真空，当??温度高于玻璃软化点时，封闭槽内的气体发生膨胀迫使玻璃材料发生形变形成半球状，??刻蚀球壳边缘下方的硅材料对球壳结构进行释放，最终通过表面溅射电极图形形成完整??结构。该团队采用此工艺在同一基片上制作了?７种直径为１？４．５ｍｍ的半球谐振子，以??４．２ｍｍ直径的半球谐振子为例，其Ｑ值为４０００［１６１［１７］。??Ｃｃｎｌｒａｉ?ｐｏｕｔ?Ｐｅｒｉｍｅｔｅｒ??…ＩＰ＇Ｔ?ｒ－｜?—「ｎＵＳＳＨｉ??图１．４加州大学Ｉｒｖｉｎｅ分校微玻璃吹制法制作的半球谐振陀螺仪结构图和电镜图１１７１??耶鲁大学选择了软化温度较低的Ｐｔ－ＢＭＧ金属玻璃来作为半球谐振子材料ｎ８］，其吹??制的温度低至２７５摄氏度。该团队在衬底加工出半球形槽体，沉积电极并图形化处理，??再将经过表面处理的金属玻璃薄片与沉底层叠并加热至２７５摄氏度，使用０．６９ＭＰａ高纯??度氮气对金属玻璃上表面连续吹１２０ｓ，将其冷却后，由于衬底与金属玻璃之间的热膨胀??系数差异使得二者之间会产生约的电容间隙，通过测试得到的该半球陀螺的工作??模态为?９．４６１ｋＨｚ?和?９．４８３ｋＨｚ，频率裂解微?２２Ｈｚ，Ｑ?值为?５４００?和?５３００［１９］。．??４?
【参考文献】：
期刊论文
[1]微半球谐振陀螺技术研究进展[J]. 汪红兵,林丙涛,梅松,江黎,蒋春桥. 微纳电子技术. 2017(11)
[2]半球谐振陀螺研究现状与发展趋势[J]. 潘瑶,曲天良,杨开勇,罗晖. 导航定位与授时. 2017(02)
[3]半球谐振陀螺技术发展概述[J]. 方针,余波,彭慧,蒋春桥. 导航与控制. 2015 (03)
[4]MEMS微陀螺仪研究进展[J]. 成宇翔,张卫平,陈文元,崔峰,刘武,吴校生. 微纳电子技术. 2011(05)
本文编号：3382492
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１半球谐振陀螺仪工作原理图１１１??半球谐振陀螺仪中的半球谐振子通常采用低热膨胀系数高品质因子的材料来制造，??
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【参考文献】：
期刊论文
[1]微半球谐振陀螺技术研究进展[J]. 汪红兵,林丙涛,梅松,江黎,蒋春桥. 微纳电子技术. 2017(11)
[2]半球谐振陀螺研究现状与发展趋势[J]. 潘瑶,曲天良,杨开勇,罗晖. 导航定位与授时. 2017(02)
[3]半球谐振陀螺技术发展概述[J]. 方针,余波,彭慧,蒋春桥. 导航与控制. 2015 (03)
[4]MEMS微陀螺仪研究进展[J]. 成宇翔,张卫平,陈文元,崔峰,刘武,吴校生. 微纳电子技术. 2011(05)
本文编号：3382492
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