一种基于SOI工艺的三轴单片微陀螺仪的研究

摘要

为了实现三轴检测微陀螺仪的单片集成，本文提出了一种完全对称的四方陀螺结构。文中首先介绍了该课题的研究背景及研究意义，说明了所设计的陀螺的工作原理，提出了动力学简化模型，并给出了相应的动力学方程的详细推导，对该陀螺进行了阻尼分析。文章随后给出了陀螺的结构设计方案，对陀螺的交叉耦合效应进行了分析，并计算出了陀螺的部分性能参数。文中利用软件对陀螺结构进行了仿真分析，对陀螺进行了幅频特性分析、静态分析以及模态分析，并重点分析了陀螺中的弹性梁，以研究弹性梁尺寸对陀螺性能的影响。
　　分析与计算结果表明，该陀螺在标准大气压下的驱动模态以及z轴检测模态品质因数分别可以达到9826、9834，而x/y轴检测模态品质因数为348，通过真空封装以及开阻尼孔的方法可以大大提高这一性能。陀螺的z轴、x/y轴检测灵敏度分别为30.192 fF/(°/s)以及38.541 fF/(°/s)，在施加100G载荷下所受最大应力为1.942MPa，陀螺各模态的固有频率分别为57.345KHz、57.382KHz以及57.395KHz，各模态间匹配性能较好。对陀螺结构的研究结果表明该陀螺基本满足了设计要求。
　　文章随后对陀螺的接口电路进行了分析，设计了其驱动-检测电路的框架结构，并分析了其中部分关键子电路。最后介绍了MEMS陀螺的加工工艺，基于SOI工艺设计了陀螺的制备工艺流程。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 MEMS介绍

1．1．1 MEMS传感器的特点

1．1．2 MEMS的发展及研究状况

1．2 MEMS陀螺仪发展及其研究进展

1．2．1 微陀螺仪分类

1．2．2 关键性能特点

1．3 MEMS陀螺仪的应用

1．4 本文内容

第二章 三轴微陀螺的原理分析

2．1 哥氏效应

2．1．1 哥氏加速度

2．1．2 陀螺仪工作原理

2．2 驱动原理分析

2．3 动力学分析

2．4 检测原理分析

2．4．1 d作变量

2．4．2 Aoverlap作变量

2．5 阻尼分析

2．5．1．真空封装

2．5．2 大气压强

2．6 小结

第三章 三轴微陀螺的结构设计及分析

3．1 三轴陀螺的结构设计

3．2 耦合分析

3．3 微陀螺的参数

3．3．1 检测电容

3．3．2 器件性能参数

3．4 小结

第四章 三轴微陀螺的分析与仿真

4．1 陀螺弹性梁的分析

4．1．1．弹性梁锚点位置

4．1．2．弹性梁结构分析

4．1．3 弹性梁尺寸与解耦效果关系

4．1．4 弹性梁尺寸与谐振频率关系

4．2 幅频分析

4．3 有限元仿真分析

4．3．1 静力学分析

4．3．2 模态分析

4．4 小结

第五章 陀螺的电路设计及分析

5．1 引言

5．2 陀螺的驱动电路

5．2．1 开环驱动

5．2．2 闭环驱动

5．2．3 C／V转换电路

5．2．4 相移电路

5．2．5 限幅电路

5．2．6 整流电路

5．2．7 低通滤波电路

5．3 陀螺的检测电路

5．4 小结

第六章 微机械陀螺加工工艺

6．1 MEMS工艺介绍

6．1．1 体硅加工工艺

6．1．2 表面硅加工工艺

6．1．3 LIGA工艺

6．1．4 SOI工艺

6．2 陀螺制备流程

6．3 小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 后续展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文