微玻璃半球谐振陀螺的结构设计及工艺研究

摘要

半球谐振陀螺是利用Coriolis效应工作的振动惯性器件，由于这种陀螺具有较高的精度和可靠性，而且拥有较长的工作寿命，所以其极具发展潜力。MEMS是将微电子技术与机械工程融合在一起的一种工业技术，其具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产的特点。本论文提出了基于MEMS技术的微型玻璃半球谐振陀螺的设计构想，设计并制备出不同结构的微型玻璃半球谐振陀螺，具有高性能、小体积和低成本的优点。
　　本文首先介绍了微型半球谐振陀螺的研究背景和国内外现状，分析了半球谐振陀螺的工作原理。在此基础上，本文提出了基于吹塑成型的微玻璃半球谐振子结构，并通过有限元仿真对微玻璃半球谐振子进行了模态分析和谐响应分析，得到其谐振频率;提出了环形电极和硅电极两种结构，对两种电极结构与谐振子的有效平均距离进行了计算。然后针对上述微玻璃半球谐振子结构及电极结构特点，分别设计了基于同步吹塑成型和基于硅-玻璃-硅三层阳极键合的微玻璃半球谐振陀螺的工艺制备流程，并完成了芯片的加工制备。最后，利用扫描电子显微镜和原子力显微镜对微玻璃半球谐振陀螺进行形貌表征，分析表明基于同步吹塑成型的微玻璃半球谐振子与环形电极的距离为73微米，基于硅-玻璃-硅三层阳极键合的微玻璃半球谐振子与硅电极的距离为8±2微米，谐振子的平均表面粗糙度Ra为0.217纳米，环形电极与谐振子形成的电容值Cc为0.07226pF，硅电极与半球谐振子间的电容为Cs为0.927pF，均在合理的参数范围内。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 课题研究的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本课题主要研究内容

2．微玻璃半球谐振陀螺的工作原理

2．2 微玻璃半球谐振陀螺的工作模式

2．3 微玻璃半球谐振陀螺的激励与检测

2．3．1 微玻璃半球谐振陀螺的激励

2．3．2 微玻璃半球谐振陀螺的检测

2．4 本章小结

3．微玻璃半球谐振陀螺结构设计与分析

3．1．2 硅电极的微玻璃半球谐振陀螺

3．2 微玻璃半球谐振陀螺的结构

3．3 微玻璃半球谐振子的结构

3．3．1 微玻璃半球谐振子的模态分析

3．3．2 微玻璃半球谐振子的谐响应分析

3．4 微玻璃半球谐振陀螺电极的结构

3．4．1 环形玻璃电极结构

3．4．2 硅电极结构

3．4．3 两种电极结构的比较

3．5 本章小结

4．微玻璃半球谐振陀螺工艺加工及表征

4．1 微玻璃半球谐振子吹塑成型的原理

4．2 基于环形电极的微玻璃半球谐振陀螺工艺加工流程

4．2．1 基于环形电极的微玻璃半球谐振陀螺的版图设计

4．2．2 基于环形电极的微玻璃半球谐振陀螺工艺流程

4．3 基于硅电极的微玻璃半球谐振陀螺工艺加工流程

4．3．1 基于硅电极的微玻璃半球谐振陀螺的版图设计

4．3．2．基于硅电极的微玻璃半球谐振陀螺的工艺流程

4．4 微玻璃半球谐振陀螺的表征

4．4．1 普通光学显微镜的整体形貌观测

4．4．2 扫描电子显微镜的观测

4．4．3 原于力显微镜的观测

4．4．4 电容测试

4．5 本章小结

5．1 工作总结

5．2 论文创新点

5．3 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢