基于滑膜阻尼效应的音叉式微机械陀螺研究

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1、摘要基于滑膜阻尼效应的音叉式微机械陀螺研究陈永(微电子学与固体电子学)指导老师：王跃林教授与传统陀螺相比，微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低等特点，因而具有广泛的应用前景。在微机械陀螺的研究中，陀螺灵敏度和分辨率的提高始终是人们追求的主要目标。本论文工作是针对一种具有实用化目标的新型结构的微机械陀螺进行研究，包括器件结构的原理设计、工艺制作、封装和性能测试等。在对振动式微机械陀螺的基本原理和动力学方程进行分析的基础上，讨论了工作频率、Q值和驱动力矩与陀螺灵敏度及其工作带宽的关系。讨论了微机械陀螺中的空气

2、阻尼、正交误差、寄生Coriolis力以及轴向加速度干扰等问题。在总结理论分析结果和前人工作经验的基础上，提出一种新颖的微机械陀螺设计：采用电磁驱动方式，具有较大的驱动力矩，幅值稳定；驱动模态和检测模态的空气阻尼均主要为滑膜阻尼，在大气压下实现了较高的Q值；采用解耦结构设计减小了结构中的机械耦合：音又式结构设计使陀螺能够抑制轴向加速度的干扰。设计了陀螺的动力学结构和电学结构，分析了噪声特性和加速度响应特性。陀螺驱动模态和检测模态的固有频率和Q值的设计值分别为2800Hz和1613，3000Hz和1613。

3、陀螺热噪声的设计值为O，123。／h／√鬲。采用单晶硅体微机械加工工艺和硅玻璃静电键合技术实现了音叉式微机械陀螺的制作，分析并解决了陀螺制作工艺过程中的深反应离子刻蚀根部效应问题和图形边缘变形问题。建立了音叉式微机械陀螺的动力学等效电路模型，对音叉式微机械陀螺的工作特性进行了模拟。对设计出的陀螺接口电路的各级输出参数进行了测试和验证，实现了接口电路的功能。在大气下实现了微机械陀螺的封装，对器件性能进行了测试。陀螺在大气压下驱动模态谐振频率和Q值分别为2906Hz和1004，检测模态中两个检测质量块振动系统

4、谐振频率和Q值分别为2996Hz和522、3033Hz和421。陀螺的标度因子灵敏度为9．8mV／。／s，非线性为O．43％，噪声等效角速度和零点漂移分别为67。～√丽和144。／h。分析和测试结果表明，本论文设计制作的音叉式微机械陀螺在大气压下实现了较牛∞科举院土洚擞系统与信息技木研充所博士擎位谁吏l——一叁±堕壁璺墨苎生塑主兰查丝垫垫竺竖竺壅高的Q值和灵敏度，较低的机械耦台和热噪声，同时能够有效抑制轴向加速度的干扰。性能基本能够满足初步应用要求。关键词：微机电系统，微机械陀螺，滑膜阻尼，机械解耦，等效

5、电路模型中国科学院上海傲系统与信息技术研完所博士学位论文Abs仃actResearchofTuningForkTypeMicromachinedGyroscopeBasedonSlide-FilmDampingYongChen(MicroelectrorfiesandSolid—StateElectronics)Directedby：Prof．YuelinWangAbstractMicromachinedgyroscopeshaveavarietyofapplicationsinmanyfieldsdue

6、totheirsmallsize，lightweightandlowcost．Manyeffortshavebeenspentinimprovingthesensitivityinpastyears．Inthisdissertation，anovelmicromachinedvibratorygyroscope，basedonslide-filmdampingprinciple，isinvestigated，includingtheoperatingprinciple，designandfabricati

7、on，packagingandmeasurementofthedevice．Bymeansofanalyzingthefundamentalsanddynamiccharacteristicsofmicromachinedvibratorygyroscopes，theinfluenceoftheoperatingfrequencies，Q-valuesanddrivingforceonthesensitivityandbandwidthofthedevicehasbeendiscussed．Theaird

8、amping，quadratureerror,parasiteCoriolisforceandinterferencefromaxialaccelerationsarealsodiscussed．Onthebasisoftheoreticanalysisandpreviousworks，weproposedanoveldesignforthemicromachinedgyroscope，inwhichelectromagnet