三框架硅微机械陀螺的结构设计及加工工艺研究

摘要

通过调研和分析国内外硅微机械陀螺的发展状况，本文提出了一种三框架硅微机械陀螺结构。该结构解决了目前双框架硅微机械陀螺结构所存在的缺点，其具有较大耦合效应以及对加工工艺精度有很高的要求。 在双框架结构中，由于加工工艺误差，使得带检测梳齿的敏感质量块两侧的梳齿尺寸不一，这样导致敏感质量块在伴随驱动模式运动的过程中将会产生两侧电容变化量无法抵消的问题，降低陀螺性能。论文提出的三框架硅微机械陀螺结构由外框架、中间框架和内框架组成。不带梳齿的中间框架作为感应哥氏效应的过渡框架，从结构本身有效地抑制了双框架陀螺的耦合对器件造成的不良影响。 论文介绍了框架式硅微机械陀螺的工作原理，分析了静电力驱动，差分电容检测，阻尼以及支撑梁结构对微机械陀螺性能的影响，提出了三框架结构模型。在对该模型的简化示意图进行动力学分析和有限元仿真的基础上，确定了三框架硅微机械陀螺的结构及参数。 考虑陀螺的加工成本以及目前国内现有的微结构加工工艺，我们选择了比较成熟简单的体硅加工工艺对其进行加工。根据加工单位的版图设计规则及体硅工艺标准，设计了该结构的版图及切实可行的工艺流程，最终完成了硅微机械陀螺仪的加工，并进行了简单的封装。文中还设计仿真了陀螺的接口电路，最后进行了初步的测试。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1陀螺简介

1.1.1机械转子陀螺和光学陀螺

1.1.2微机械陀螺仪

1.2硅微机械陀螺的发展现状及趋势

1.2.1国内微机械陀螺仪发展

1.2.2国外微机械陀螺仪发展

1.2.3微机械陀螺发展趋势

1.3论文研究的意义

1.4论文工作内容

第二章硅微机械陀螺结构设计

2.1微机械陀螺仪设计原理

2.1.1哥氏效应

2.1.2微机械陀螺工作原理

2.2陀螺结构设计基础

2.2.1双框架微机械陀螺缺点

2.2.2陀螺阻尼分析

2.2.3陀螺驱动和检测方式

2.2.4陀螺支撑梁

2.3三质量块陀螺解耦仿真分析

2.4本章小结

第三章三框架陀螺结构设计、分析及仿真

3.1三框架陀螺结构及工作原理

3.1.1三框架陀螺结构

3.1.2三框架陀螺工作原理

3.2三框架陀螺动力学分析

3.3三框架陀螺有限元仿真

3.3.1静态分析

3.3.2模态分析

3.3.3谐响应分析

3.4三框架陀螺参数

3.4.1陀螺结构参数

3.4.2陀螺性能参数

3.5本章小结

第四章硅微机械陀螺工艺及版图设计

4.1微机械加工工艺

4.1.1体硅加工工艺

4.1.2三框架陀螺工艺设计

4.2硅微机械陀螺版图设计

4.2.1版图设计规则

4.2.2版图设计中的注意事项

4.2.3三框架陀螺版图设计

4.2.4版图设计中关键点及存在的问题

4.3三框架陀螺加工结果

4.4微机械陀螺封装

4.5本章小结

第五章硅微机械陀螺接口电路

5.1微机械陀螺接口电路原理

5.2微机械陀螺驱动电路

5.2.1开环驱动电路

5.2.2无自动增益控制闭环驱动电路

5.2.3自动增益控制闭环驱动电路

5.2.4两种驱动方式的比较

5.3微机械陀螺检测电路

5.3.1差分检测电路

5.3.2检测模态的测量

5.3.3信号解调电路

5.4本章小结

第六章硅微机械陀螺电路测试

6.1开环驱动测试

6.1.1驱动信号

6.1.2驱动模态固有频率

6.2检测模态固有频率测试

6.3闭环驱动测试

6.3.1驱动信号

6.3.2自动增益控制信号

6.4转台测试

第七章结论与展望

7.1论文的主要研究内容及结论

7.2论文的创新及特色

7.3论文工作展望

附录

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及所取得的研究成果

致谢