论文部分内容阅读
论文在充分分析国内外微机械陀螺的基础上，针对水平轴微机械陀螺这一单片集成IMU的重要器件的需求和现有问题，结合北京大学陀螺组在相关领域的研究积累，开展了基于SOG工艺的水平轴微机械陀螺结构设计及其优化的相关研究。基于北京大学键合/深硅刻蚀标准工艺，设计、加工和测试完成了采用优化变间隙电容检测的新型水平轴音叉陀螺。 论文首先从刚体力学的角度介绍了振动式微机械陀螺的基本原理:哥氏效应。基于哥氏效应，针对一种最简单的单质量块z轴陀螺，建立并求解了其基本动力学方程。从力学特征和工作模式的不同出发，给出了微机械陀螺的分类方法;在描述分类方法的同时，阐述了各种分类方法背后的相关理论基础。 基于基本力学原理，进一步介绍了微静电谐振器，并从其机械、电学结构方面，给出了MEMS中几种重要的组件（如梁、质量块和梳齿等）的理论基础和具体设计时的注意事项。在简单谐振器的基础上，分析了音叉谐振器的相关理论及设计方法，并重点针对音叉谐振器的同向加载抑制能力给出了优化的设计策略。然后，将论述重点置于水平轴陀螺的设计之上，给出了针对水平轴陀螺的误差分析细节，重点讨论了由耦合产生的误差和相关机理，并给出了降低相应误差的优化方法。 在充分分析各种水平轴微机械陀螺存在的优缺点的基础上，提出改进的结构:以外框耦合式水平轴音叉陀螺为基础，提出基于变间隙电容的水平轴音叉陀螺。该陀螺具有如下的特点:首先通过将变间隙电容和音叉结构结合，降低了加工工艺的复杂度;其次，在振动结构设计方面，结合提高音叉结构共模抑制能力的考虑和复合质量块重心设置上的考虑，提高了音叉结构的机械性能;最后，在变间隙单元的设计方面，采用平板电极掏洞提高了检测端灵敏度，并利用大平板结构的气体弹性实现了大范围的检测端频率调谐。 论文完成了变间隙水平轴音叉陀螺的加工及相关测试。在介绍了北京大学键合/深硅刻蚀SOG标准工艺后，针对小衬底间隙的陀螺加工，强调了关于工艺残留去除的注意事项。对加工完成的水平轴微机械陀螺，测试了该陀螺的气体弹性调谐性能，并与静电调谐进行了对比，验证了气体弹性调谐的有效性。对加工完成的陀螺进行了管壳级的真空封装，并对封装后的陀螺进行了扫频测试和输出特性测试，测试结果显示，本文设计的水平轴陀螺在1000°/s的角速率变化范围内具有9.1mV/(°/s)的标度因子和0.91％的输出非线性度。零角速率输入时的测试结果表明其噪声等效角速率为0.02°/s/Hz1/2。