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基于剪应力检测的新型石英微陀螺关键技术研究

作　者: 谢立强
导　师: 李圣怡
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 石英微陀螺剪应力检测湿法腐蚀哥氏力导纳圆
分类号: V241.5
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

武器装备小型化、打击精确化急需大量的微陀螺产品,但国内微陀螺的研究水平与国外差距较大,国外高性能的微陀螺对我国严格限制。因此,开展微陀螺技术研究,提高自主创新能力具有重要意义。石英微陀螺的敏感结构通常为单端音叉或双端音叉形式,驱动模态为音叉在宽度方向的振动,敏感模态为音叉在厚度方向的振动。检测敏感模态的振动是通过压电效应感测音叉弯曲产生的正应力实现的,然而对于石英而言,正应力对应的压电系数并不是最大的,决定了正应力检测方案并不能充分发挥石英的压电特性。此外,检测正应力需要在结构侧壁上制备平行分开的两个电极。对于MEMS这种二维加工工艺来讲,在微结构侧壁上制备电极图形的难度很大,且侧壁电极的尺寸误差直接关系到微陀螺的性能。针对上述问题,本文提出了一种基于剪应力检测哥氏力的方法,利用该方法研制了一种新型石英微陀螺。剪应力检测方法采用石英最大的压电系数作为机电转换系数,利于提升微陀螺的灵敏度。同时,剪应力检测方法使微结构的侧壁只需制作单块电极,降低了电极的加工难度。本文主要围绕基于剪应力检测的新型石英微陀螺的设计理论、加工工艺、测控技术开展研究,主要研究内容如下:1.提出了一种基于剪应力检测的新型石英微陀螺结构,对其力学特性、工作模态进行了理论分析,依此确定了微陀螺的结构尺寸。该陀螺采用全差分结构,可以有效地抑制外界振动,尤其是加速度的影响;采用滑膜阻尼的振动方式,有利于提高结构振动的品质因子。经过测试,大气下驱动模态的品质因子为7600,敏感模态的品质因子为600。2.建立了微陀螺的动力学响应模型,理论描述了微陀螺的动态特性。分析了结构阻尼特性,得到了影响微陀螺振动的最主要阻尼形式;利用模态叠加法,对结构的振动特性进行了分析,计算得到了微陀螺结构的灵敏度;利用导纳圆方法建立了描述石英微陀螺振动特性的等效电路模型,并分析了机械域参数与电域模型之间的关系;通过绘制导纳圆辨识得到了石英微陀螺等效电路的模型参数。3.基于各向异性湿法腐蚀工艺,制作了新型石英微陀螺器件。利用石英各晶面腐蚀速率的差异,提出了预测腐蚀后侧壁形貌的方法;针对结构侧壁残留晶棱的问题,提出了一种湿法腐蚀侧壁修形工艺,解决了结构侧壁不平整的问题;搭建了微陀螺电极制备系统,利用机械掩膜的方法,实现了石英微陀螺三维表面电极的制作。基于上述技术制作的微陀螺敏感结构尺寸为13.0mm×12.2mm×0.5mm,最小特征尺寸为0.3mm。4.根据新型石英微陀螺的机电耦合特点,研制了微陀螺的测控电路。利用相位控制技术,设计了自激励驱动的谐振方法;提出了静电容补偿方法,解决了模态频率变化对谐振环路影响较大的问题;设计了控制驱动轴振动幅值的闭环控制器,使驱动轴的振幅保持恒定;利用相关解调技术,实现了在微弱哥氏力信号中提取角速度的方法。5.对新型石英微陀螺的原理样机进行了性能测试,室温下其在±150?/s动态范围内的刻度因子为23.9mV/(?/s),非线性度为1.1%,输出噪声频谱密度为0.1(?/s)/√Hz,零偏稳定性为0.37?/s,频率温度系数为-6.5ppm/?C。

全文目录

摘要  14-16
Abstract  16-18
第一章绪论  18-30
  1.1 论文研究的背景及意义  19-20
  1.2 国内外微陀螺研究综述  20-25
    1.2.1 国外硅微陀螺研究综述  20-21
    1.2.2 国外石英微陀螺研究综述  21-25
    1.2.3 国内微陀螺研究综述  25
  1.3 论文的主要研究内容  25-30
    1.3.1 课题的提出  25-28
    1.3.2 论文的组织结构  28-30
第二章新型石英微陀螺的结构设计理论  30-58
  2.1 总体结构与工作原理  30-37
    2.1.1 总体结构设计  30-32
    2.1.2 基本工作原理  32-36
    2.1.3 与现有石英微陀螺结构的比较  36-37
  2.2 驱动梁的力学分析  37-41
    2.2.1 驱动梁的内应力与弯矩  37-38
    2.2.2 驱动梁的模态分析  38-41
  2.3 敏感梁的力学分析  41-52
    2.3.1 敏感梁的剪力与弯矩  42-44
    2.3.2 敏感梁的应力与电荷分布  44-49
    2.3.3 敏感梁的模态分析  49-52
  2.4 结构尺寸确定与分析  52-57
    2.4.1 结构尺寸  52-53
    2.4.2 驱动梁位置  53-54
    2.4.3 敏感电极位置  54-55
    2.4.4 敏感梁锥度  55
    2.4.5 有限元仿真  55-57
  2.5 本章小结  57-58
第三章新型石英微陀螺的动态特性分析  58-84
  3.1 阻尼分析  58-64
    3.1.1 空气阻尼  58-60
    3.1.2 热弹性阻尼  60-61
    3.1.3 支撑阻尼  61-62
    3.1.4 品质因子  62-64
  3.2 驱动梁的稳态响应  64-69
    3.2.1 激励电场产生的力  64-65
    3.2.2 驱动梁的稳态响应  65-68
    3.2.3 哥氏力  68-69
  3.3 敏感梁的稳态响应  69-73
    3.3.1 敏感梁的稳态响应  69-71
    3.3.2 敏感梁的电极电流  71-73
  3.4 等效电路描述  73-82
    3.4.1 导纳圆方法基础  74-77
    3.4.2 新型石英微陀螺的等效电路  77-81
    3.4.3 等效电路的参数辨识  81-82
  3.5 本章小结  82-84
第四章新型石英微陀螺的加工工艺  84-98
  4.1 基本工艺流程设计  84-86
  4.2 石英微结构的制作  86-95
    4.2.1 石英各向异性湿法腐蚀  86-93
    4.2.2 侧壁修形工艺  93-94
    4.2.3 腐蚀掩膜层的制备工艺  94-95
  4.3 三维表面电极的制作  95-97
  4.4 本章小结  97-98
第五章新型石英微陀螺测控技术  98-114
  5.1 微弱信号检测技术  98-100
    5.1.1 弱电流检测  98-99
    5.1.2 弱电荷检测  99-100
  5.2 驱动控制技术  100-109
    5.2.1 驱动轴的谐振激励  101-103
    5.2.2 静电容补偿方法  103-105
    5.2.3 驱动轴的速度幅值控制  105-109
  5.3 角速度检测技术  109-110
  5.4 测控电路的设计与测试  110-113
    5.4.1 测控电路设计  110-112
    5.4.2 测控电路测试  112-113
  5.5 本章小结  113-114
第六章新型石英微陀螺性能测试  114-120
  6.1 测试系统与测试标准  114
  6.2 性能测试结果  114-119
    6.2.1 刻度因子测试  114-116
    6.2.2 零偏稳定性测试  116
    6.2.3 温度特性测试  116-117
    6.2.4 噪声与随机误差测试  117-119
  6.3 本章小结  119-120
第七章结论与展望  120-124
  7.1 全文总结  120-122
  7.2 研究展望  122-124
致谢  124-126
参考文献  126-136
作者在学期间取得的学术成果  136-137

基于剪应力检测的新型石英微陀螺关键技术研究

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