石英微陀螺结构优化与制造工艺研究

论文摘要

石英以其良好的压电特性、较高的温度稳定性和机械性能,使得石英微陀螺具有结构简单、稳定性好、可靠性高、易于驱动检测等优点,成为MEMS陀螺的研究热点。本文以一种新型石英微陀螺为研究对象,对其结构设计、制作工艺、误差分析和封装测试进行了系统的研究,具体内容如下:1.介绍了石英微陀螺的工作原理,针对目前石英微陀螺的敏感电极难以制作的问题,提出了一种新型石英微陀螺结构,成功地解决了电极制作的难题。通过陀螺结构进行有限元分析,获得了尺寸参数与模态频率之间的关系,以此进行优化设计,实现了驱动频率和检测频率的相互匹配。2.通过综合分析石英的各种微加工方法,选择湿法腐蚀工艺作为石英微陀螺的制造方法并设计了整个工艺方案。重点研究了掩模层的制备、各向异性湿法腐蚀和三维结构表面电极的制作三种工艺,对比分析了各项参数对工艺质量的影响,通过优化确定了每个实验环节的工艺参数。最后经过工艺实验完成了微陀螺样机的制作。3.分析了石英微陀螺制作过程中存在的主要误差,包括切向误差、晶向对准误差、双面对准误差、侧壁晶棱误差、湿法腐蚀误差和电极对准误差等。针对工艺误差对石英微陀螺性能的影响,提出了对应的修正方法。4.在转台上对石英微陀螺的性能进行了灵敏度测试,其主要性能参数为刻度因子1.45mV/°/s,非线性度0.38%,测量范围±200°/s。测试结果表明,本文研究的石英微陀螺在大气环境下具有较高的Q值、较大的灵敏度,达到了预期的设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 MEMS陀螺的发展概况
• 1.2 石英微陀螺的发展
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 石英微陀螺发展趋势
• 1.3 石英微陀螺制造技术概况
• 1.4 本文研究的内容、目的和意义
• 第二章 石英微陀螺的工作原理与结构优化
• 2.1 石英微陀螺工作原理
• 2.1.1 哥氏效应
• 2.1.2 石英微陀螺的工作原理
• 2.2 石英微陀螺结构优化
• 2.2.1 石英微陀螺结构尺寸参数
• 2.2.2 有限元分析
• 2.2.3 ANSYS优化参数
• 2.3 本章小结
• 第三章 石英微陀螺制造工艺研究
• 3.1 石英微陀螺的工艺方案设计
• 3.2 石英微陀螺制造工艺
• 3.2.1 选料与清洗
• 3.2.2 镀制掩模层
• 3.2.3 双面对准光刻
• 3.2.4 湿法腐蚀
• 3.2.5 镀制电极
• 3.2.6 装配封装
• 3.3 结构样件的评测
• 3.4 本章小结
• 第四章 石英微陀螺加工误差分析
• 4.1 加工误差来源
• 4.1.1 切向误差
• 4.1.2 晶向对准误差
• 4.1.3 双面对准误差
• 4.1.4 侧壁晶棱误差
• 4.1.5 湿法腐蚀误差
• 4.1.6 电极对准误差
• 4.2 加工误差的影响
• 4.2.1 机械耦合误差
• 4.2.2 频率偏移
• 4.3 加工误差的修正
• 4.4 本章小结
• 第五章 石英微陀螺的性能测试
• 5.1 振动模态测试
• 5.2 哥氏力测试
• 5.3 刻度因子、非线性度测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果