微半球谐振陀螺仪结构机理分析及加工工艺研究

摘要

微半球谐振陀螺仪是未来最具发展潜力的角度/角速度传感器之一，它不仅具有传统半球谐振陀螺仪的高精度、抗辐射干扰、抗振动、寿命长等优点，还具有体积小、功耗低、成本低等优势，在惯性导航、汽车、消费电子等领域具有广阔的应用前景。论文围绕着微半球谐振陀螺仪的结构机理分析展开，从理论分析出发，并利用有限元分析软件Comsol Multiphysics和ANSYS进行仿真分析，设计了一种力平衡模式下的微半球谐振陀螺仪和相应的一整套加工工艺流程。
　　论文首先综述了传统半球谐振陀螺仪和微半球谐振陀螺仪的国内外发展现状，为深入进行微半球谐振陀螺仪的结构机理分析、结构设计和加工工艺的研究提供了有益的借鉴与指导。
　　其次，阐述了全角模式和力平衡模式下微半球谐振陀螺仪的工作原理，分析并确定了微半球壳与支撑的结构形式;应用拉格朗日函数来进行微半球谐振子的数学建模，得到了微半球谐振陀螺仪的二自由度运动方程;分析了不同球壳结构参数与谐振频率和进动因子的关系，为微半球谐振陀螺仪的结构设计提供了理论指导。
　　第三，系统分析了微半球谐振陀螺仪的各种能量耗散机理，包含声子-声子作用、声子-电子作用、热弹性阻尼、支撑损耗、空气阻尼以及表面损耗。其中，重点对微半球谐振陀螺仪的热弹性阻尼进行了仿真分析和解析分析，并运用完美匹配层(PML)技术在Comsol中对微半球谐振陀螺仪的支撑损耗进行了仿真分析;总结了各种能量耗散源对总体Q值的影响，为高Q值微半球谐振陀螺仪的设计提供了理论指导。
　　第四，在理论分析的基础上，设计了一种力平衡模式下的微半球谐振陀螺仪，并对其误差机理进行了深入分析。分析并总结了微半球壳结构设计原则，提出了一种优化的球壳结构尺寸设计;从理论上对力平衡工作模式下微半球谐振陀螺仪的电极配置进行了分析，确定了微半球谐振陀螺仪的工作模式与电极配置方案;对微半球壳结构参数误差进行了分析，证明了参数误差四次谐波分量对陀螺仪性能的影响最大，并利用Comsol对杨氏模量误差四次谐波分量进行了仿真分析，验证了理论分析的正确性。
　　最后，针对所设计的力平衡模式下微半球谐振陀螺仪，设计了利用六块掩模板实现的一整套微半球谐振陀螺仪加工工艺流程，并对各工艺步骤进行了分析与设计。所有工艺步骤均可以利用现有的比较成熟的工艺流程来实现，证实了所设计工艺的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外传统半球谐振陀螺仪发展状况

1．2．1 国外半球谐振陀螺仪研究现状

1．2．2 国内半球谐振陀螺仪研究现状

1．3 国内外微半球谐振陀螺仪发展状况

1．3．1 国外微半球谐振陀螺仪研究现状

1．3．2 国内微半球谐振陀螺仪研究现状

1．4 本课题的研究内容

第二章 微半球谐振陀螺仪结构建模分析

2．1 微半球谐振陀螺仪的工作原理

2．2 微半球谐振陀螺仪谐振子结构分析

2．3 微半球谐振陀螺仪的数学模型

2．3．1 微半球谐振陀螺仪建模方法分析

2．3．2 拉格朗日运动方程的推导

2．4 微半球壳各参数与谐振频率和进动因子关系

2．5 本章小结

第三章 微半球谐振陀螺仪能量耗散机理分析

3．1 微半球谐振陀螺仪的能量耗散与品质因数

3．2 与声子有关的阻尼分析

3．2．1 声子-声子作用

3．2．2 声子-电子作用

3．3 热弹性阻尼分析

3．3．1 热弹性阻尼耗散产生机理

3．3．2 热弹性阻尼有限元分析

3．3．3 热弹性阻尼解析法分析

3．3．4 热弹性阻尼分析结果讨论

3．4 支撑损耗分析

3．4．1 支撑损耗产生机理

3．4．2 支撑损耗有限元仿真分析

3．4．3 支撑损耗分析结果讨论

3．5 空气阻尼分析

3．6 表面损耗分析

3．7 各种耗散分析结果总结

3．8 本章小结

第四章 微半球谐振陀螺仪结构设计与分析

4．1 微半球谐振陀螺仪球壳结构尺寸设计

4．2 力平衡模式下微半球谐振陀螺仪电极配置

4．2．1 驱动模态电极配置

4．2．2 检测模态电极配置

4．2．3 力平衡模式下电极配置总结

4．3 全角模式下微半球谐振陀螺仪电极配置

4．4 微半球谐振陀螺仪结构参数误差分析

4．4．1 微半球壳半径与厚度误差

4．4．2 微半球壳唇缘角度误差

4．4．3 微半球壳支撑柄参数误差

4．4．4 微半球壳参数不均匀误差

4．5 微半球谐振陀螺仪结构设计总结

4．6 本章小结

第五章 微半球谐振陀螺仪加工工艺研究

5．1 微半球谐振陀螺仪关键工艺分析

5．1．1 各向同性刻蚀微半球模子

5．1．2 薄膜沉积三维微半球壳结构

5．1．3 电极的加工

5．1．4 晶圆级真空封装

5．2 微半球谐振陀螺仪加工工艺流程设计

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间已获科研成果