微半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝研究.pdf

1、隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航器件在民用設(shè)備中的大量使用和微型化需求，以及傳統(tǒng)半球諧振陀螺儀自身所展現(xiàn)出來的獨特優(yōu)勢，使得微半球諧振陀螺儀(μHRG)已經(jīng)成為MEMS傳感器領(lǐng)域研究的熱點之一。本文從減小微半球陀螺儀的頻率裂解和降低能量損耗兩個方面對提高微半球諧振陀螺儀的品質(zhì)因數(shù)(Q)進行了深入的分析，為制備高品質(zhì)因數(shù)的微半球諧振陀螺儀奠定了基礎(chǔ)。
　　首先，對微半球諧振陀螺儀的研究背景和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了詳細的闡

2、述，為微半球諧振器的結(jié)構(gòu)建模和加工工藝提供了借鑒，為微半球諧振陀螺儀的設(shè)計拓寬了思路。
　　其次，對微半球諧振陀螺儀的幾種主要的建模方法進行比較，并利用基于基希霍夫半球諧振子數(shù)學(xué)模型對微半球諧振器的進動特性和諧振頻率進行了分析;分析了球殼材料的密度、彈性模量不均勻和球殼的半徑不均勻的四次諧波對頻率裂解的影響，為減小微半球諧振器的頻率裂解提供了理論指導(dǎo)。
　　第三，對微半球陀螺儀的各種能量損耗機理進行了分析，包括熱彈性阻尼、支

3、撐損耗、壓膜阻尼、表面損耗等，闡述了品質(zhì)因數(shù)和能量損耗之間的關(guān)系;采用數(shù)學(xué)建模的方式，對熱彈性阻尼進行了粗略的預(yù)測，接著使用COMSOL軟件仿真分析了球殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料對不同結(jié)構(gòu)形式的微半球諧振器的熱彈性阻尼、支撐損耗的影響，為降低微半球諧振陀螺儀的能量損耗奠定了基礎(chǔ)。
　　第四，利用ANSYS有限元仿真軟件對四種常見的球殼結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)和諧響應(yīng)仿真，確定其固有頻率和頻率裂解;接著對內(nèi)外球面不對稱誤差、球殼和支撐柱的中心不對稱以

4、及在球殼表面沉積金屬導(dǎo)電層引起的頻率裂解進行了仿真分析，確定引起頻率裂解的主要因素;在此基礎(chǔ)上，提出了一組微半球諧振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料。
　　最后，對微半球諧振器的加工工藝進行了介紹和比較分析;接著比較了三種不同加工微半球模子的工藝，并分別利用HNA溶液和SF6氣體進行了初步的試驗加工;對基于硅—玻璃晶圓級封裝工藝和基于SOI的晶圓級封裝工藝進行了分析。在此基礎(chǔ)上對提出了基于SOI封裝的組裝式微半球諧振陀螺儀的加工工藝，繪制了相應(yīng)