微机械陀螺仪的封装研究

论文摘要

微机械陀螺仪的封装问题是关系其实用化的主要因素之一。通过调研及分析国内外微机械陀螺及其封装的发展现状,本论文对北京大学设计的Z轴微机械音叉陀螺进行器件级真空封装研究以及对该陀螺做性能测试分析。论文分析了微机械陀螺的结构和工作原理,同时讨论了真空封装能提高微机械陀螺灵敏度,减小阻尼误差的相关理论,通过理论研究和实验分析相结合,采用了真空冷压焊技术,确定了真空封装微机械陀螺的驱动端品质因数Q与封装腔内的气压近似反比关系,提供了一种测试MEMS微小封装内真空度的方法。考虑到封装应力对器件性能的影响,本文从粘接胶、基底材料与器件的杨氏模量、热膨胀系数等方面对陀螺的谐振频率的影响做仿真分析和试验,得到采用胶1和陶瓷基底的封装形式使得封装应力最小。同时,对器件的封装热应力分析,得到分散空气泡对器件的热阻最小,并提出一种产生分散空气泡的贴片方法。此外,对封装好的微机械陀螺做了性能测试,得到封装腔内气压为600Pa,驱动谐振频率为9065.32Hz,Q值为432.27,标度因数为2.61mv/deg/s,非线性为0.424%,不对称度为0.545%,零偏值为13.04deg/s。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 微机械陀螺发展
• 1.2.2 微机械陀螺封装
• 1.3 研究内容与方案
• 1.4 本章小节
• 第二章 微机械陀螺的动特性分析
• 2.1 微机械陀螺的结构
• 2.1.1 滑膜驱动机理
• 2.1.2 压膜检测机理
• 2.2 微机械陀螺对轴向加速度的响应
• 2.3 微机械陀螺品质因子Q
• 2.4 微机械陀螺的阻尼分析
• 2.4.1 结构阻尼
• 2.4.2 空气阻尼
• 2.5 微机械陀螺仪的误差分析
• 2.5.1 正交耦合误差
• 2.5.2 阻尼不对称
• 本章小结
• 第三章 微机械陀螺的器件级封装
• 3.1 真空封装
• 3.1.1 真空冷压焊封装
• 3.1.2 真空度及其检测
• 3.2 封装的影响
• 3.3 封装对谐振频率影响的仿真分析
• 3.4 微机械陀螺的器件级封装
• 3.4.1 贴片工艺
• 3.4.2 键合工艺
• 3.5 微机械陀螺封装影响实验
• 本章小结
• 第四章 器件级真空封装微机械陀螺测试
• 4.1 微机械陀螺主要测试指标及测试器件概述
• 4.1.1 微机械陀螺主要性能指标概述
• 4.1.2 微机械陀螺主要测试器件概述
• 4.2 微机械陀螺接口检测电路与系统级Matlab 仿真
• 4.2.1 闭环驱动电路原理
• 4.2.2 角速率检测电路原理
• 4.2.3 微机械陀螺的系统级 Matlab 仿真
• 4.3 器件级真空封装微机械陀螺的性能测试与分析
• 4.3.1 扫频测试
• 4.3.1.1 Matlab 软件的扫频测试仿真
• 4.3.1.2 真空器件级封装微机械陀螺的扫频测试与分析
• 4.3.2 标度因数测试
• 4.3.3 零偏及加速度敏感性测试
• 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的成果
• 致谢