微机械石英陀螺敏感元件的设计与制造研究

论文摘要

MEMS是近年来比较热门的一个新兴的技术领域,具有广阔的发展前景。MEMS技术在惯性领域的发展应用催生了微惯性技术。微惯性技术的发展,主要集中在微机械加速度计和微机械陀螺这两大类产品领域内。而微机械石英陀螺是微机械陀螺中发展较快的一种。微机械石英陀螺,是二十世纪八十年代末出现的一种微惯性器件,属于中低精度陀螺。微机械石英陀螺,以其具有的成本低、体积小、结构简单、可靠性高等特点在现代精确打击战术武器的军事方面和民用汽车等非军事方面获得了广泛的应用,显示其是一种非常有前途的微机械振动陀螺。在研究微机械石英陀螺的国内外发展研究现状的基础上,对微机械石英陀螺的设计、制造和振动模式测试等方面进行了深入研究,研究的内容及成果如下:总结和研究了压电石英晶体的材料特性和微机械石英陀螺的动力学问题。指出柯氏力偶引起的扭转运动是实现石英陀螺的机械解耦的关键。同时在深入研究公理设计理论和振动陀螺原理的基础上,提出了振动陀螺的公理设计模型。振动陀螺的公理设计模型解决了陀螺设计中有运动耦合的问题,使得原先一些从经验、甚至直觉发展而来的微机械振动陀螺的设计准则有了科学的依据。这对微机械振动陀螺的规范化设计和创新是有较大的指导意义的。在振动陀螺的公理设计模型的指导下,对微机械石英陀螺的材料特性和现有的微机械石英陀螺结构进行了深入研究,提出了一种新的结构,即微机械梳齿石英陀螺。用有限元方法对其进行了模态研究,并分析了相关尺寸参数对微机械梳齿石英陀螺的振动模态的影响。推导建立了微机械梳齿石英陀螺的集总参数模型并据此开展了驱动模式和感测模式的定量研究。微机械石英陀螺的电路主要是驱动电路和检测电路。选用ADM8660实现升压,并采用专用函数信号发生器XR-2206产生恒频等幅正弦驱动信号。检测电路须实现陀螺元件输出信号的放大、解调和滤波功能。通过电荷放大器和锁定放大器得到了高信噪比的信号。最后运用Matlab对检测电路进行了仿真研究。仿真结果表明,采用锁定放大原理,只要处理好电路中的噪声和滤波的效果就可以得到很高的信噪比。研究了微机械石英陀螺加工制造中涉及到的问题。并结合现有条件,对超声波加工及超声加工石英机理等问题进行了研究。用超声成型加工方法加工出了微机械梳齿石英陀螺基片结构。针对MEMS结构的尺寸微小,共振频率高这一特点,开发研制了MEMS用的多载荷加载台。通过这一多载荷加载台,可以进行基础激励、温度和压力的精确控制,实现不同的真空环境下MEMS的静动态性能测试。同时也据此开展了微机械梳齿石英陀螺的振动模式的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 MEMS 概述
• 1.2 微惯性技术及微机械石英陀螺的发展
• 1.3 微机械石英陀螺设计方法
• 1.4 课题的来源、目的、意义及论文结构
• 2 微机械石英陀螺的研究基础
• 2.1 引言
• 2.2 石英材料的物理性能
• 2.3 微机械石英陀螺的动力学基础
• 2.4 本章小结
• 3 基于公理设计理论的微机械石英陀螺的设计
• 3.1 引言
• 3.2 公理设计理论
• 3.3 柯氏振动陀螺的公理设计
• 3.4 微机械石英陀螺中的振动敏感元件的分析与创新
• 3.5 本章小结
• 4 微机械梳齿石英陀螺有限元分析及集总参数模型研究
• 4.1 引言
• 4.2 微机械梳齿石英陀螺的模态分析
• 4.3 微机械梳齿石英陀螺的集总模型研究
• 4.4 本章小结
• 5 微机械石英陀螺相关电路研究
• 5.1 引言
• 5.2 驱动信号的实现
• 5.3 感测信号的检测
• 5.4 本章小结
• 6 微机械石英陀螺加工制造
• 6.1 引言
• 6.2 石英陀螺的基本制作方法
• 6.3 微机械梳齿石英陀螺中的石英基片的超声加工
• 6.4 本章小结
• 7 MEMS 用加载台研制及微机械梳齿石英陀螺振动模式研究
• 7.1 引言
• 7.2 MEMS 动态特性频闪干涉视觉三维测量技术及系统
• 7.3 基础振动激励及多载荷加载台
• 7.4 微机械梳齿石英陀螺的振动模式计算与测试
• 7.5 本章小结
• 8 全文总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间申请的专利