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静电驱动硅基介观压阻式微陀螺仪设计与相关陀螺测试

作　者: 王瑞荣
导　师: 刘俊
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 微机械陀螺 静电驱动 介观压阻效应 结构设计 加工工艺
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 64次
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内容摘要


微机械陀螺仪由于其体积小、功耗低以及可靠性高等优点,而在惯性测量领域有着广泛的应用前景。共振隧穿器件是基于分子束外延(MBE)技术的新型介观压阻器件,其灵敏度比硅压阻灵敏度高约一个数量级,且受温度的影响较小。将其应用于微机械陀螺的研究本质上可提高陀螺的灵敏度。针对该隧穿器件的应用设计了一种结构新颖的陀螺,结合硅基异质外延砷化镓单晶薄膜技术,不但实现了高灵敏度隧穿器件在陀螺上的集成,而且可应用成熟硅微加工技术实现高深宽比陀螺结构的加工。论文在对微机械陀螺工作原理进行介绍的基础上,对微机械陀螺的动力学方程进行了分析。同时对静电驱动原理、介观压阻检测原理的相关理论进行了分析研究。提出了一种采用基于硅基—砷化镓材料的陀螺结构,其中陀螺结构采用硅材料加工,敏感元件采用砷化镓材料加工。通过大量的理论分析与仿真研究,确定了结构具体的尺寸参数。并对陀螺的固有频率、结构阻尼等进行了研究,验证了陀螺结构设计的合理性;通过路径分析确定了敏感元件的放置位置,以获得较高的灵敏度。通过对陀螺加工过程中关键工艺的详细说明以及与加工单位的协调研究,设计并确定了陀螺加工的具体工艺流程与加工版图,其中敏感元件的加工采用表面微加工技术,陀螺结构的加工采用体微加工技术。利用课题组所研究的成果,对一种电磁式介观压阻陀螺进行了性能测试,验证了陀螺敏感元件RTD具有负阻效应,另外也得到陀螺的驱动频率大于等于4KHz。利用三轴转台进行测试,在-1000—0°/s与0—1000°/s的角速度范围内陀螺的灵敏度分别为9.96μV/°/s和9.45μV/°/s。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章 绪论  9-22
  1.1 微机械陀螺仪的研究背景与研究意义  9-10
  1.2 微机械陀螺的发展现状  10-20
    1.2.1 国外微机械陀螺发展现状  10-16
    1.2.2 国内微机械陀螺发展现状  16-20
  1.3 论文的组织框架安排  20-22
第二章 微机械陀螺理论分析基础  22-33
  2.1 微机械陀螺的基本原理  22-26
    2.1.1 哥氏效应原理  22-24
    2.1.2 微机械陀螺的动力学分析  24-26
  2.2 陀螺的驱动及检测原理  26-32
    2.2.1 介观压阻效应检测  26-29
    2.2.2 微机械陀螺的驱动原理  29-32
  2.3 本章小结  32-33
第三章 静电驱动介观压阻检测微机械陀螺的结构设计  33-54
  3.1 微机械陀螺的结构设计与工作原理  33-34
  3.2 微机械陀螺的机械性能分析  34-38
    3.2.1 理论分析  34-37
    3.2.2 回折型正交梁刚度仿真分析  37-38
  3.3 微机械陀螺的仿真分析  38-45
    3.3.1 模态分析  38-41
    3.3.2 静态分析  41
    3.3.3 路径分析  41-43
    3.3.4 谐响应分析  43-45
  3.4 微机械陀螺的阻尼分析  45-52
    3.4.1 驱动方向阻尼分析  46-48
    3.4.2 检测方向阻尼分析  48-52
  3.5 本章小结  52-54
第四章 微机械陀螺加工工艺研究  54-67
  4.1 关键工艺研究  54-58
    4.1.1 纳米膜隧穿器件工艺研究  54-56
    4.1.2 陀螺结构加工工艺研究  56-58
  4.2 具体的工艺流程  58-60
  4.3 版图设计  60-66
    4.3.1 版图设计规则  60-61
    4.3.2 静电驱动介观压阻式陀螺版图设计说明  61-66
  4.4 本章小结  66-67
第五章 微机械陀螺的性能测试  67-74
  5.1 RTD 温度特性及负阻特性测试  67
  5.2 微机械陀螺性能实验  67-73
    5.2.1 微机械陀螺测试平台的搭建  67-68
    5.2.2 驱动频率测试  68-69
    5.2.3 检测方向静态加速度特性测试  69-70
    5.2.4 三轴转台测试  70-73
  5.3 本章小节  73-74
第六章 结论与展望  74-76
参考文献  76-84
攻读硕士期间主要研究工作及所取得的研究成果  84-86
致谢  86

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 航空仪表、航空设备 > 陀螺仪表
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