微壳体谐振器的驱动、检测和封装研究

摘要

半球谐振陀螺（Hemispherical Resonator Gyroscope,HRG）作为一种高精度、长寿命、高可靠性的惯性传感器，已广泛应用于导航系统中，在航空航天以及武器装备等国防军工领域发挥着重要作用。伴随着新一代微定位导航系统(Micro Position,Navigation and Timing,μPNT)对低成本和高性能陀螺仪的需求，基于微机电系统（Micro Electromechanical System,MEMS）技术的微半球陀螺(μHRG)成为了新的发展方向。μHRG在理论上可以达到HRG的性能，但是其微型化存在两个核心问题：一、高Q值微球壳体谐振器的设计与制备；二、微球壳体的高精度驱动和检测。这两个关键问题制约了当前微半球陀螺仪的发展。针对这些问题，本论文基于课题组前期研发的玻璃热成型方法，研究微半球壳体谐振子及其驱动与检测电极的设计、制备与微组装方案，还探索了谐振器圆片级真空封装方法。 首先，基于静电传导理论提出了谐振子的电极设计方案。其中，非平面电极相比于平面电极方案，其工艺一致性较好，组装工艺相对简单，可以实现均匀的电容间距。谐振子子电极数为一组4n个，通过设计隔离电极可以降低子电极串扰。为了使谐振器实现陀螺表头的功能，讨论了谐振子电极的配置方案，力平衡模式下16个子电极的电极配置方案相对于8个子电极可以同时实现谐振模态的幅度控制、频率控制和正交控制，能更好地消除频率裂解。 其次，研究了微壳体谐振子及其驱动与检测电极的设计、制备。基于热成型方法圆片级制备了微壳体谐振子，多普勒测振结果显示其二阶酒杯模态的谐振频率为19.26kHz。基于非平面电极方案，采用Lift-off工艺制备了非平面表面电极；采用玻璃回流工艺制备了非平面埋入式电极。对回流工艺中玻璃填充度与回流时间和电极尺寸参数的关系进行了探究。针对回流冷却过程中可能出现的结晶现象，对电极基板中玻璃的结晶度进行了XRD表征，回流6小时的玻璃结晶度为78.19%。谐振子和电极是分立制造的，故设计了电极与谐振子的微组装工艺，采用光刻胶作为牺牲层来定义谐振子与电极基板的组装间距，其一致性较好。 最后，探索了一种基于阳极键合，通过玻璃微腔实现气密性封装的方案，可用于未来微壳体谐振子的真空封装。针对微壳体谐振器内部的空气损耗问题，基于薄膜流体模型，对压膜阻尼进行了理论计算，并用COMSOL Multiphysics软件仿真，得到了气体压强和压膜阻尼力的分布。结果显示谐振子下表面中央处受到的压膜阻尼最大。

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