四叶片微陀螺结构设计与加工工艺研究

论文摘要

振动式微陀螺是利用哥氏效应工作的测角传感器,以其外形尺寸小、质量轻、功耗低、启动快、成本低、可靠性高和易于数字化等优点已逐步在军用和民用市场得到广泛的应用。四叶片微陀螺是一种具有完全对称的驱动模态和检测模态的微陀螺,它的性能与结构设计、加工工艺密切相关。本文针对四叶片微陀螺结构设计与加工工艺,开展了以下研究:1.四叶片微陀螺基本原理分析。根据四叶片微陀螺基本结构,建立了四叶片微陀螺的动力学模型,推导了微陀螺关键运动参数的表达式,并在此基础上分析了微陀螺的灵敏度,得出影响灵敏度的关键因素。分析了四叶片微陀螺的空气阻尼形式,提出了减小空气阻尼的措施。2.四叶片微陀螺结构分析与设计。分析了四种形式的微陀螺支撑结构:平端支撑结构、开孔支撑结构、凸台支撑结构和凹槽支撑结构,对比了四种支撑结构的差别,综合考虑模态频率分离、支撑能量损耗和目前加工工艺等因素,确定采用平端支撑结构。设计了四叶片微陀螺主要结构参数。分析了主要结构参数对模态频率的影响,并分析了不同参数误差对模态频差的影响程度,为微陀螺加工工艺设计提供了指导依据。3.四叶片微陀螺加工工艺研究。包括硅结构的预埋掩模湿法腐蚀工艺、玻璃基板加工工艺、惯性质量棒和支撑底座的加工工艺。基于以上加工工艺,对微陀螺的装配进行了分析,得出主要装配误差形式,并提出了改进措施。4.四叶片微陀螺性能测试,包括微陀螺静态电容测试、微陀螺模态测试和哥氏力测试。微陀螺样机的静态电容为3.289pF,与理论值误差小于5%;大气环境下,驱动模态频率和检测模态频率分别为2.676KHz和2.699KHz,品质因数分别为10.5和17.4;真空封装条件下,驱动模态频率和检测模态频率分别为2.689KHz和2.721KHz,品质因数分别为432和672.3。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 国外微陀螺研究现状
• 1.3 国内微陀螺研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 四叶片微陀螺的基本原理
• 2.1 四叶片微陀螺的基本结构及工作原理
• 2.1.1 微陀螺的基本结构
• 2.1.2 微陀螺的工作原理
• 2.2 四叶片微陀螺动力学模型及灵敏度分析
• 2.2.1 微陀螺动力学模型
• 2.2.2 微陀螺灵敏度分析
• 2.3 四叶片微陀螺空气阻尼分析
• 2.3.1 大气环境下的压膜阻尼分析
• 2.3.2 减小空气阻尼的措施
• 2.4 本章小结
• 第三章 四叶片微陀螺结构分析与设计
• 3.1 微陀螺支撑结构分析
• 3.1.1 支撑结构的基本形式及设计原则
• 3.1.2 支撑结构对微陀螺工作模态的影响
• 3.2 微陀螺主要结构参数设计
• 3.2.1 硅结构主要尺寸确定
• 3.2.2 惯性质量棒主要尺寸确定
• 3.2.3 玻璃基板及金属电极主要尺寸确定
• 3.3 微陀螺主要结构参数误差对频率的影响
• 3.3.1 硅结构加工误差对振动模态频率的影响
• 3.3.2 惯性质量棒加工误差对振动模态频率的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 四叶片微陀螺加工工艺
• 4.1 微陀螺加工工艺流程
• 4.2 硅结构加工工艺
• 4.2.1 一般结构减薄工艺存在的问题
• 4.2.2 预埋掩模湿法腐蚀工艺
• 4.2.3 实验结果分析
• 4.3 玻璃基板加工工艺
• 4.3.1 玻璃基板湿法刻蚀和金属电极制备
• 4.3.2 紫外激光划片工艺
• 4.3.3 实验结果分析
• 4.4 惯性质量棒及支撑底座加工工艺
• 4.4.1 惯性质量棒加工工艺
• 4.4.2 支撑底座加工工艺
• 4.5 微陀螺的装配
• 4.5.1 微陀螺装配的主要工艺步骤
• 4.5.2 微陀螺装配存在的主要问题及解决方案
• 4.6 本章小结
• 第五章 四叶片微陀螺性能测试
• 5.1 微陀螺静态电容测试
• 5.1.1 微弱电容测试系统
• 5.1.2 静态电容测试结果
• 5.2 微陀螺模态测试
• 5.2.1 微陀螺模态测试的基本原理
• 5.2.2 微陀螺模态测试结果
• 5.3 微陀螺哥氏力测试
• 5.3.1 哥氏力测试系统
• 5.3.2 哥氏力测试结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果