（机械工程专业论文）石英微陀螺结构优化与制造工艺研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 摘要 石英以其良好的压电特性、较高的温度稳定性和机械性能，使得石英微陀螺 具有结构简单、稳定性好、可靠性高、易于驱动检测等优点，成为m e m s 陀螺的 研究热点。 本文以一种新型石英微陀螺为研究对象，对其结构设计、制作工艺、误差分 析和封装测试进行了系统的研究，具体内容如下： 1 介绍了石英微陀螺的工作原理，针对目前石英微陀螺的敏感电极难以制作 的问题，提出了一种新型石英微陀螺结构，成功地解决了电极制作的难题。通过 陀螺结构进行有限元分析，获得了尺寸参数与模态频率之间的关系，以此进行优 化设计，实现了驱动频率和检测频率的相互匹配。 2 通过综合分析石英的各种微加工方法，选择湿法腐蚀工艺作为石英微陀螺 的制造方法并设计了整个工艺方案。重点研究了掩模层的制备、各向异性湿法腐 蚀和三维结构表面电极的制作三种工艺，对比分析了各项参数对工艺质量的影响， 通过优化确定了每个实验环节的工艺参数。最后经过工艺实验完成了微陀螺样机 的制作。 3 分析了石英微陀螺制作过程中存在的主要误差，包括切向误差、晶向对准 误差、双面对准误差、侧壁晶棱误差、湿法腐蚀误差和电极对准误差等。针对工 艺误差对石英微陀螺性能的影响，提出了对应的修正方法。 4 在转台上对石英微陀螺的性能进行了灵敏度测试，其主要性能参数为刻度 因子1 4 5 m v o s ，非线性度0 3 8 ，测量范围2 0 0 0 s 。测试结果表明，本文研究 的石英微陀螺在大气环境下具有较高的q 值、较大的灵敏度，达到了预期的设计 要求。 分析 主题词：m e m s 石英微陀螺结构优化制造工艺各向异性腐蚀误差 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t q 1 璩r t za t t r a c t sa t t e n t i o nf o ri t se x c e l l e n tp i e z o e l e c t r i ca c t i v i t y ，t e m p e r a t u r es t a b i l i t y a n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r e f o r e ，q u a r t zm i c r o - g y r o s c o p eb e c o m e san e wf o c u s a r e ai nt h ef i e l do fm e m sg y r o s c o p ef o ri t ss i m p l es 廿u c t u r e ，e x c e l l e n ts t a b i l i t y ，h i g h r e l i a b i l i t y ，e a s yd r i v i n ga n dd e t e c t i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n , an o v e lq u a r t zm i c r o g y r o s c o p ei ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ， i n c l u d i n gt h e 咖c 嘁o p t i m i z a t i o nd e s i g n , f a b r i c a t i o n ，a n a l y s i so fe r r o r s ，p a c k a g i n g a n dt e s t i n g t h er e s e a r c hr e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w s ： 1 t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fq u a r t zm i c r o g y r o s c o p ei si n t r o d u c e d a g a i n s tt h e f a b r i c a t i o np r o b l e ma b o u tt h es e n s i n ge l e c t r o d eo ft r a d i t i o n a lq u a r t zm i c r o g y r o s c o p e ，a n o v e ls t r u c t u r ei sd e s i g n e dt os o l v et h ep r o b l e m t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns 仃u c t u r e p a r a m e t e r sa n dm o d ef r e q u e n c i e sa r eo b t a i n e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h eo p t i m u m d e s i g no fs 缸u c t i l r ep a r a m e t e r si sc a r r i e do u tt om a t c ht h ee x c i t a t i o na n dd e t e c t i o n m o d e s 2 c o m p a r e d 丽t l lo t h e rq u a r t zp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，w e te t c h i n gp r o c e s si s s e l e c t e dt of a b r i c a t et h eq u a r t zm i c r o - g y r o s c o p e ，a n dt h ew h o l ef a b r i c a t i o ns c h e m ei s d e s i g n e d t h em a s kp l a t i n g ，a n i s o t r o p i cw e te t c h i n ga n dt h ee l e c t r o d ep l a t i n go nt h r e e d i m e n s i o n so ft h e 咖c t u r ea r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h ei n f l u e n c e so fp a r a m e t e rso n m a n u f a c t u r i n ga l ea n a l y z e d ，a n dt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r si ne a c hp r o c e s sa r e d e t e r m i n e db yo p t i m i z a t i o n t h e nt h es t r u c t u r ep r o t o t y p ei sc o m p l e t e da n dt e s t e d 3 t h em a i ne r r o r si nt h ef a b r i c a t i o no fq u a r t zm i c r o g y r o s c o p ea r ea n a l y z e d ，s u c h a s c u to r i e n t a t i o n , a l i g n m e n to fc r y s t a lo r i e n t a t i o n ，t h ea l i g n m e n to fd o u b l e f a c e d l i t h o g r a p h y ，s i d e w a l la r r i s ，w e te t c h i n ga n da l i g n m e n to fe l e c t r o d e t h ec o r r e s p o n d i n g c o r r e c t i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e db a s e do nt h ei n f l u e n c e so fg y r o s c o p ep e r f o r m a n c eb y t h ed i f f e r e n te r r o r s 4 t h eq u a r t zg y r o s c o p ei st e s t e do nar o t a t i n gf l o o r t h em a i np e r f o r m a n c es h o w s t h a tt h es c a l ef a c t o ri s1 4 5 m v 。s ，t h en o n l i n e a r i t yi so 38 ，a n dt h em e a s u r er a n g ei s + 2 0 0 0 s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a r t zg y r o s c o p ei nt h i sd i s s e r t a t i o nh a sa c h i e v e d ah i g hq - f a c t o ra n ds e n s i t i v i t ya ta t m o s p h e r i cp r e s s u r e t h ep r e d i c t e dd e s i g np u r p o s e h a sb e e nr e a c h e d k e yw o r d s ：me m s ， q u a r t z f a b r i c a t i o n ， a n i s o t r o p i ce t c h i n g ， m i c r o - g y r o s c o p e ， s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ， a n a l y s i so fe r r o r s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1q r s l1 石英微机械陀螺性能一3 表1 2m i c r o c o m p o n e n t ss a 陀螺性能4 表1 3b e i 公司数字石英惯性测量组合的性能7 表2 1 尺寸参数的取值范围一1 4 表2 2 设计变量的优化取值1 7 表3 1 石英微陀螺制造工艺流程2 0 表3 2 湿法腐蚀参数3 1 表3 - 3 石英微陀螺结构实际尺寸参数3 8 表3 4 石英微陀螺电极尺寸参数3 9 表5 1 石英微陀螺的性能参数4 9 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1双框架角振动微陀螺仪结构图1 图1 2 各种结构的m e m s 陀螺2 图1 3q r s11 型石英速率陀螺。3 图1 4 m i c r o c o m p o n e n t ss a 公司的石英微陀螺4 图1 5 c o l i b r ip r od e v e l o p m e n ta b 公司的石英微陀螺4 图1 6w a t s o ni n d u s t r i e s 公司的石英微陀螺5 图1 7o n e r a 空间实验室d m p h 分部的石英微陀螺5 图1 8 n i h o nd e m p ak o g y o 公司的石英微陀螺5 图1 9 t o y o t ac e n t r a lr & dl a b s 的石英微陀螺6 图1 1 0b e i 公司的数字石英惯性测量组合6 图1 1 1b e i 石英微陀螺结构演变7 图1 1 2n i h o nd e m p ak o g y o 石英微陀螺结构演变7 图1 1 3 机械加工的石英微陀螺8 图1 1 4m e m s 干法刻蚀技术加工结构8 图2 1惯性坐标系中转动动力学系统l o 图2 2 石英微陀螺工作原理图1 2 图2 3 镀制双电极的检测梁侧壁1 2 图2 4 石英微陀螺结构示意图1 3 图2 5 石英微陀螺的驱动模态与检测模态的振型1 3 图2 6 石英微陀螺结构尺寸1 4 图2 7 检测梁长度与振动模态频率的关系1 5 图2 8 检测梁宽度与振动模态频率的关系1 5 图2 9 驱动梁长度与振动模态频率的关系1 6 图2 1 0 驱动梁宽度与振动模态频率的关系1 6 图2 1 1 质量块长度与振动模态频率的关系1 7 图2 1 2 质量块宽度与振动模态频率的关系1 7 图2 1 3 石英微陀螺的振动频率1 8 图3 1 石英晶体结构图形1 9 图3 2 石英微陀螺加工工艺流程2 l 图3 3 石英基片表面的划痕2 2 图3 4 真空溅射原理图2 4 图3 5 蒸镀设备原理2 4 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 6 石英基片的金层表面2 5 图3 7 经过腐蚀后不同厚度金膜表面2 6 图3 8 经过腐蚀后不同厚度金膜表面2 6 图3 94 0 0 下铬金膜的扩散深度与时间的关系2 7 图3 1 0 互扩散过度的铬金掩模层2 8 图3 1 1 照相双面光刻对准原理2 9 图3 1 2 光刻掩模版图形2 9 图3 1 3 石英基片表面的掩模层图形3 0 图3 1 4 湿法腐蚀设备3 1 图3 1 5 石英晶片腐蚀速率与温度的关系3 2 图3 1 6 不同温度下石英梁侧壁表面质量3 2 图3 1 7 石英侧壁晶棱实测轮廓图3 3 图3 1 8 石英侧壁晶棱示意图3 3 图3 1 9 修平晶棱示意图3 4 图3 2 0 修平工艺后石英梁截面图3 4 图3 2 1 石英微陀螺湿法腐蚀结构3 5 图3 2 2 镀制石英微陀螺表面电极3 5 图3 2 3 石英微陀螺铝电极对准3 7 图3 2 4 石英微结构表面的电极图形3 7 图3 2 5 石英微陀螺引线封装图3 8 图3 2 6 石英微陀螺原型样机3 8 图3 2 7 驱动梁电极测量图3 9 图4 1切向误差对石英微结构的影响4 0 图4 2晶向误差对石英微结构侧壁的影响4 l 图4 3 石英湿法腐蚀中的双面对准误差4 1 图4 4 石英湿法腐蚀中的侧壁晶棱4 1 图4 5 石英湿法腐蚀中的侧蚀4 2 图4 6 机械耦合影响下的微陀螺结构模型4 3 图4 7 非理想微陀螺驱动轴振动方向4 3 图4 8 石英梁侧壁腐蚀过程4 5 图5 1振动模态测试系统结构框图4 6 图5 2 压电驱动电路结构框图4 6 图5 3 驱动模态的导纳与相位图4 7 图5 4 石英微陀螺的信号处理电路4 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 5 石英微陀螺的信号处理电路4 7 图5 6 检测轴输出信号的频谱4 8 图5 7 石英微陀螺测试系统4 8 图5 8 输出电压与输入角速率的关系4 9 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：歪芸邀睦坚箜捡佐丝生剑适王艺珏究 学位论文作者签名：兰箜丛日期：么妙7 年7 f 月加日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：歪芸邀眩蠼坌掬位焦生剑造三艺珏塞 学位论文作者签名：垡坦日期：加d 7 年月1 0 日 作者指导教师签名：盏谴日期：力叼年j ，月p 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 陀螺仪用于测量载体相对惯性空间的角运动信息，是惯性测量组合( i m u ， i n e r t i a lm e a s u r e m e n tu n i t ) 的重要组成部分，是构成惯性导航系统( i n s ，i n e r t n a v i g a t i o ns y s t e m ) 的核心部件，同时也是解决制导、定向和运动载体控制的关键 部件。微机电系统( m e m s ，m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术将可动的微机 械部件与集成电路集成到单个芯片中，形成一个从信息传感、信号处理到动作执 行的单芯片系统。m e m s 陀螺( 简称为微陀螺) 即是将m e m s 技术应用到振动陀 螺领域而发展起来的一种新型陀螺。作为振动陀螺的一种，该陀螺同样通过哥氏 效应来敏感外界角速度。该陀螺的敏感结构采用m e m s 技术制造，因此，m e m s 陀螺具有体积小、成本低、功耗小、可靠性高、抗过载能力强、可批量生产等优 点，使其适用于战术武器制导、微小卫星姿态控制、微小飞行器导航、作战平台 稳定控制及微小型机器人等军事领域，又可广泛应用于汽车稳定控制系统、相机 防抖系统、医疗仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、玩具等民用领域【1 】。 1 1m e m s 陀螺的发展概况 m e m s 陀螺的历史可以追溯到上世纪8 0 年代末。在美国军方合同的资助下， d r a p e r 实验室在1 9 8 8 年率先研制出第一代m e m s 陀螺框架式角振动陀螺， 如图1 1 所示【2 】。之后，随着美国、日本、德国、法国、瑞士、瑞典等国微机电系 统技术的深入研究，梳齿音叉【3 】、谐振轮1 4 、振动环【5 1 、苜蓿叶式【6 1 等多种结构的 m e m s 陀螺相继出现( 如图1 2 ) ，而微陀螺的精度也随之不断提高。据统计， m e m s 陀螺的性能平均每两年就会提高一个数量级【7 】。为满足诸多应用领域的迫 切需求，目前，m e m s 陀螺己成为m e m s 技术领域的一个研究热点，不同结构、 不同驱动检测方式的m e m s 陀螺层出不穷。按照结构材料的不同，m e m s 陀螺主 要分为硅微陀螺和石英微陀螺两类。 内挠性轴驱动电极 图1 1 双框架角振动微陀螺仪结构图 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( a ) 加州大学b e r k e l e y 分枝的梳齿音叉陀螺( b ) r o b e r t b o s c h 公司的谐振轮陀螺 ( c ) 密歇根大学的振动环式陀螺( d ) j p l 实验室的苜蓿叶式陀螺 图1 2 各种结构的m e , m s 陀螺 国内在微陀螺研制方面起步较晚，但近年来发展很快。从事微陀螵研制的单 位主要有清华大学、上海微系统所、东南大学、复旦大学、北京大学、中电集团 1 3 所、2 6 所、国防科技大学等。虽然已经研制出陀螺样机，但一些关键技术还没 有突破，样机的性能指标与国外产品仍有不少差距。 1 2 石英微陀螺的发展 目前，硅微陀螺发展很快，这主要得益于半导体制造的硅微加工工艺，但由 于硅是半导体，电极之间存在漏电现象，且温度稳定性差，会产生较大的误差信 号，这就给石英微陀螺的发展留下了广阔的空间。石英微陀螺除具有一般m e m s 陀螺的基本优势外，还有许多自身特有的优点口】： ( 1 ) 石英具有压电效应，可简化微结构； ( 2 ) 石英的绝缘性好，可防止漏电流带来的影响； ( 3 ) 石英温度稳定性好，可靠性高，可长时间工作： f 4 ) 石英陀螺有良好的机械性能和高品质因子； f 5 ) 石英也适用于掩模刻蚀等微加工工艺。 因此，石英微陀螺逐渐被越来越多的研究机构关注，具有广阔的应用前景和 发展潜力。石英微陀螺的研究工作已经持续了近六十余年，前期发展较为缓慢。 大约在1 9 5 0 年左右，美国就开始研制利用压电效应和逆压电效应的固体陀螺，但 由于当时一些技术条件还不够成熟，未能制作出可工作的陀螺样机。美国通用电 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 气公司于1 9 6 6 年首先加工出振粱式压电晶体陀螺样机，但性能一般，直到1 9 8 0 年还只被a 一】0 飞机选用”j 。近年来，随着m e m s 加工技术的不断进步，石英微陀 螺也在迅猛发展。美国b e i 公司研制的石英微陀螺q r s l l 从1 9 9 0 年开始投放市 场至今，已经广泛应用于先进的运输工具和稳定控制系统中，在2 0 0 3 年因其精度 好、可靠性高而应用于洛克希德马丁公司的“掠夺者”肩扛式反坦克导弹i l ”。 12 1 国内外研究现状 国外石英微陀螺的研究已进a 产品化，实用化的阶段，石英微惯性器件的研 究机构主要集中于美国、日本、法国、德国、瑞典、瑞士、荷兰等，其中研究进 展最突出的当属美国b e i 公司的s y s t r o n d o n n e r 惯性分部。而国内对石英微陀螺的 研究还娃在试验起步阶段，从事石英微陀螺研制的单位主要有中国电子科技集团 2 6 所、航天科技集团7 0 4 所、”所、北京理工大学和国防科技大学等单位。 ( 1 ) 美国b e i 公司s y s t r o n d o n n e r 惯性分部 目前，b e i 公司研究的石英微陀螺处于国际领先水平，其成批量生产的q r s l l 已广泛应用于稳定系统、控制系统、制导系统及仪器设备。图1 _ 3 所示为q r s l l 的外观封装图和内部微结构，袁1i 列出了该陀螺的主要性能参数【2 】。据了解，其 应用于军事领域的产品具有更高的性能，偏置稳定性高达7 。，h 【l ”。 蟛蟛 醋6 ( a ) 封装图( b ) 实物图( c ) 结构图 图13q r s l l 型石英速率陀螺 表l1 q r s l l 石英微机械陀螺性能 电源s v ) c 、 测量范围- , 3 0 ，1 0 0 。2 0 0 ，5 0 0 1 0 0 0 。s 输出信号 恒温1 0 0 s 内稳定度 蔓d0 l 愚 分辨率哪0 2 。 非线性度 6 0 h z 工作温度一4 0 8 0 最大外形尺寸直径3 9 m m 长1 7 r a m 质量 6 0 9 典型寿命 1 0 年 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 2 ) 瑞士m i e r o c o m p o n e n t ss a 公司 瑞士的m i c r o c o m p o n e n t ss a 公司开发了单端音叉结构的石英微陀螺，如图1 4 所示。其主要特点是内部集成了自我测试模块和温度补偿模块，使- - 4 0 - - 8 0 温 度范围内的温漂小于土2 s 。该陀螺主要的性能参数如表12 所示i ”j 。 冬， ，l i 曩 ( b ) 检a 4 模态( c ) 封装图 图1 4 m i c r o c o m p o n e n t ss a 公司的石英微陀螺 表l2m i e r o c o m p o n e n t ss a 陀螺性能 动态范围 刻度因子( 灵敏度)2 0 m v s ) 分辨率 非线性度 输出电压 0 5 - 45 v 输出噪声 0 0 5 hj 瓦 长期稳定性 温度漂移 i 0 14 a ( 3 ) 瑞典c o l i b r ip r o d e v e l o p m e n t a b 公司 瑞典的c o l i b r i p r o d e v e l o p m e n t a b 公司于1 9 8 5 年进入惯性传感器领域，现已 开发了用于汽车安全系统的单端音叉石英微陀螺l 闭，如图1 5 所示，其主要特点是 石英微结构简单，加工方便，尺寸较小，但精度较低。常温测试条件下，该陀螺 的分辨率为0 i s ，零位稳定性小于0 5 。a ，非线性度小于o5 。 ( a ) 设计图( b ) 实物图 图1 5 c o l i b r lp m d e v e l o p m e n t a b 公司的石英微陀螺 ( 4 ) 美国w a t s o ni n d u s t r i e s 公司 美国的w a t s o ni n d u s t r i e s 公司于上世纪8 0 年代开始研发高性能固体陀螺传感 器，主要特点是石英微结构新颖，分辨率高。其开发的压电杯式结构陀螺”i 如图 16 所示。其性能参数为：动态范围1 0 06 s ；刻度因子5 0m v 6 s ；非线性度小于 00 3 ；分辨率00 2 5 。s 。 第4 页 镰 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 法 件的研 陀螺结 叉结构 ( a ) 设计图 ( b ) 结构图 图17o n e r a 空间实验窒d m p h 分部的石英微陀螺 ( 6 ) 日本n i h o n d e m p a k o g y o 公司 日本n i h o nd c m p ak o g y o 公司研制的石英音叉式微陀螺结构简单，如图18 所示【1 6 1 ，其主要特点是石英微陀螺结构尺寸小，可大批量生产，主要用于低精度 领域。该陀螺的主要性能参数为：尺寸太小13 22 0 2 4 m m 3 ，动态范围2 1 0 。s ； 刻度因子06 7m v 。s ；零位电压13 5 v 。 。_ 研 ， 0 l 一 设计圈t b j 实物酗 图1 8n i h o n d e m p a k o g y o 公司的石英微陀螺 ( 7 ) 日本t o y o t a c e a n a l r & d l a b s 日本t o y o t a c e n l r a l r & d l a b s 研制的石英h 型音叉式微陀螺如图1 9 所示1 叼 第5 页 国防科学技术太学研究生院硕士学位论文 其主要特点是将石英微陀螺结构与处理电路集成，但其精度较低，主要应用于汽 车领域。该石英微陀螺性能参数为：尺寸大小1 5 3 5 03 r a m 3 ；封装大小1 0 7 4 8 3 7 m m 3 动态范围1 0 0 。s ；刻度因子2 0 m v 。s ；非线性度小于3 ；零偏温度 灵敏度i 。s 。 器蓟 ( a ) 设计幽 ( b ) 结构与电路集成图( c ) 封装圈 图i9 t o y o t a c e n t r a l r & d l a b s 的石英微陀螺 ( 8 ) 中国电子科技集团公司第二十六研究所 中国电子科技集团公司第二十六研究所已经成功研制出石英微陀螺产品8 】， 但仍存在成品率不高等问题。其性能参数为：动态范围2 5 0 。s ，非线性度小于 o0 5 ，零位稳定性小于5 0 。，1 1 ，分辨率o0 1 。s 。 122 石英微陀螺发展趋势 近年来，根据军事、民用领域的应用要求，石英微陀螺的研究工作正在向高 性能、小型化两个方向发展。 ( 1 ) 为了提高精确打击能力，战术武器对m e m s 陀螺的性能要求越来越高， 各研发机构积极开展石英微陀螺的高性能研究来满足在战术武器上的应用要求。 b e i 公司为了提高陀螺的性能，与罗克韦尔公司联合，依托其先进的数字信号 处理技术，来取代现有的模拟电路，共同研发高性能的数字石英惯性测量组合( 如 图11 0 所示) ，使石英微陀螺的偏置稳定性达1 + h 【l q ( 如表13 所示) 。 图11 0b e i 公司的数字石英惯性a i 量纽台 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 2 ) 目 陀螺加速度计 霉位重复性 15 m g 工作稳定性 2 0 0 u g 比例因子 ，5 0 v p m3 5 0 p p m 随机游走( 噪声) n 0 0 0 6 5 f s f0 硅 2 0 0 u g x 厩z z 输入轴偏离 切，为了满 足其对微惯性器件的需求，各研究机构致力于开发小尺寸、低成本的石英微陀螺。 为此，b e i 公司新成立一个专门开发汽车陀螺的分公司，将原有的陀螺进行小 型化、批量化如图1 1 1 所示，陀螺音叉长从1 9 9 6 年的o6 2 英寸减小到2 0 0 2 年 的o3 2 英寸，每个晶片可制造的石英音叉结构数量则由2 个增加到5 6 个刚。 批 f s 2 6 2 5 s t d 4 s t 2 7 2 图11 1b e i 石英微陀螺结构演变 n i h o nd e m p ak o g y o 公司也一直致力于石英微陀螺小型化的研究，如图1 _ 1 2 所示，到2 0 0 6 年其音叉尺寸已经降到1 3 2 2 x 0 2 4 m 一，而其封装尺寸也降到了 25 x32 1 3 r a m 3 1 2 。 l ，朔2 0 0 02 0 0 22 0 0 5 图l 1 2n i h o n d e m p a k o g y o 石英微陀螺结构演变 第7 页 j，iiij一尊。i #j50目js 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 由国内外的石英微陀螺的发展概况可以看出，石英微陀螺结构形状复杂，对 几何尺寸精度和表面质量要求高，其制造工艺主要有以下几种： ( 1 ) 机械加工 石英微陀螺结构的制作最早采用机械加工的方法进行。如图11 3 所示是美国 的w a t s o ni n d u s t r i e s 公司早期研制的石英微陀蟪m 】，其片状的驱动粱和检测粱均采 用机械加工方法制作。石英机械加工方法工艺简单，但加工精度较低，因此早期 的石英微陀螺难以实现高性能。 碡l 削11 3 机械加上的囱共僦陀晾 ( 2 ) 激光加工等微细加工方法 激光加工等微细加工方法是新兴的石英加工方法。但其加工效率不高，适用 范围有限，目前主要用于加工石英晶振和对石英微陀螺结构进行频率修正。 ( 3 ) m e m s 干法刻蚀技术 m e m s 干法刻蚀技术也是加工石英结构的一种常用工艺。瑞典u p p s a l a 大学 曾经研究用反应离子刻蚀的工艺加工石英音叉微结构，并成功加工出如图1 1 4 a 所 示的石英音叉结构吲。而牛滓仪器公司也致力于研究石英的干法刻蚀技术，其研 制的石英i c p 刻蚀机可以在0 2 2 n m i n 的速率下，刻蚀5 4 9 t m 深的石英槽 2 4 】，如 图11 4 b 所示。但是该技术对于石英的穿透刻蚀还不够完善，m e m s 干法刻蚀技 术还需要进一步发展。 a ) 反应离子刻蚀石英音叉( b ) 干法刻蚀石英槽 图11 4m e m s 干法刻蚀技术加工结构 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 4 ) m e m s 湿法腐蚀技术 石英晶体的m e m s 湿法腐蚀属于各向异性腐蚀，可以进行体加工，目前是制 作石英微陀螺结构的主流加工方法，几乎所有的音叉式石英微陀螺都是通过湿法 腐蚀加工的，如b e i 公司的高精度q r s l1 、n i h o nd e m p ak o g y o 公司的微小结构 石英微陀螺等，但国内的石英湿法腐蚀工艺仍存在加工误差较大、重复性不好等 问题，还需要解决其中的关键技术。 1 4 本文研究的内容、目的和意义 当今现代化高技术战争中，以精确打击为目的的制导武器成为军队装备系统 的核心。目前，我军正在进行的航空弹药的制导化改造急需大量低成本微小型陀 螺产品，但我国到目前为止尚未实现可以应用的速率级m e m s 陀螺，而美国零偏 稳定性小于1 0 0 0 h 的m e m s 陀螺对是我国禁运的，由此可见，自主研制满足武器 装备要求的m e m s 陀螺，对于推进我军武器装备制导化改造进程，提升我军武器 装备的精确打击能力，具有重大的实践意义。 我国m e m s 陀螺研究和生产现状严重落后的主要原因是：跟踪国外的陀螺结 构，微加工能力较差。因此，提高m e m s 陀螺的制造水平和结构设计能力是提高 我国陀螺研究水平的根本方法。本文研究课题来源于装备预先研究项目，对一种 新型石英微陀螺的结构优化和制造工艺进行了深入研究。主要内容包括结构尺寸 的优化，工艺方案的设计以及石英微陀螺样机的制作和测试。 具体章节安排如下： 1 第一章论述了石英微陀螺发展概况，介绍了本文研究的目的和意义。 2 第二章介绍了石英微陀螺的基本工作原理，并给出了本文研究的石英微陀 螺的结构，着重研究该结构的尺寸参数与模态频率之间的关系，通过a n s y s 软件 进行有限元仿真，得到一组优化的尺寸参数，使驱动频率与检测频率相互匹配。 3 第三章研究了石英的相关加工工艺，制定了一套石英微陀螺制造工艺流程， 着重研究了制造过程中的各种微加工工艺参数对加工质量的影响，确定了加工流 程中的最优工艺参数，最终成功制作出石英微陀螺样机。 4 第四章分析了加工误差的来源以及对石英微陀螺性能的影响，提出了修正 加工误差的方法。 5 第五章论述了石英微陀螺样机的几种测试方法，并给出了测试结果。 6 第六章对本文的研究工作进行了总结，并展望了本文继续研究的目标和将 要进行的研究工作。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章石英微陀螺的工作原理与结构优化 作为振动陀螺的一种，石英微陀螺的工作原理是基于转动运动力学的哥氏效 应。当石英微陀螺输入轴方向有角速度时，由于哥氏效应将产生垂直于输入轴方 向的哥氏力，从而使石英检测部件振动，通过检测该部件的位移变化即可解算出 石英微陀螺的输入角速度。 2 1 1 哥氏效应 2 1 石英微陀螺工作原理 法国科学家g g d ec o r i o l i s ( 1 7 9 2 1 8 4 3 ) 首先提出哥氏效应这一概念。在质点r 所在的运动空间，选定两个参考系，一个是定参考系设为惯性坐标系o t x “y z ，一 个是动参考系设为动坐标系o - x y z ，如图2 1 所示。动坐标系相对惯性坐标系做旋 转运动和平移运动，则质点相对于惯性坐标系的运动状态由质点相对于动坐标系 的运动和动坐标系相对于惯性坐标系的运动两方面所决定【7 】【8 】【9 1 。 动坐标系 罗 惯性坐标系 图2 1 惯性坐标系中转动动力学系统 设质点r 在惯性坐标系中的位移、速度和加速度分别为露，吃，噍；在动坐 标系中的位移、速度和加速度分别为焉，吃，毛；动坐标系相对惯性坐标系的平 动位移、速度和加速度分别为五，吱，瓦，转动角速度为西。则可推导出惯性系 中质点r 的位移为 五= 焉- i - 乏 ( 2 1 ) 将等式( 2 1 ) 两边求导，可得质点r 的速度为 吃= 重d t = 堕d t + 亟d t + 壳焉 ( 2 2 ) g d 、7 将等式( 2 2 ) 两边再求导，可得质点r 的加速度为 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 魄= 鲁= 争= 争+ 争+ 鲁焉4 - 嗽西+ 2 壳哮 c 2 固 式( 2 3 ) 左边为质点的绝对加速度噍，右边第一项为相对加速度或，第二、三、 四项称为牵连加速度瓦，第五项称为哥氏加速度盈。即惯性系中的质点的加速度 可简化为 噍= 玩4 - 玩+ 瓦 ( 2 4 ) 其中哥氏加速度的计算公式为 噍= 2 ( 2 x f a = 2 f i 睾 ( 2 5 ) 哥氏加速度与质点相对动坐标系的相对速度以及动坐标系本身的旋转角速度 有关。因为在不同时刻，质点在动坐标系中的位置不同，使质点的牵连切线速度 磊死亦随时间而改变，因而产生了加速度西车；另一方面，由于动坐标系的转 讲 动改变了相对速度拿的方向，这也引起加速度西宰。两方面引起的加速度和 mm 2 壳掣就是哥氏加速度。哥氏加速度是质点在动坐标系中的运动和动坐标系在惯 以 性系中的旋转运动两方面互相影响的结果，当动坐标系的转动角速度为零或质点 在动坐标系中静止时，均不产生哥氏加速度。 哥氏加速度是研究微机械陀螺的基础。当绕驱动轴作高频振动的微机械陀螺 敏感角速度时，其检测质量块内各质点的哥氏加速度会对输出轴形成哥氏惯性力 矩，这种哥氏惯性力矩即为陀螺力矩。陀螺力矩的方向与哥氏加速度的方向相反， 它作用于支撑检测质量块的框架上。由于哥氏加速度和陀螺力矩的存在，在理想 情况下，微机械陀螺仪的输出信号将正比于敏感轴输入信号，这就是微机械陀螺 敏感角速度的基本原理【2 5 1 。 2 1 2 石英微陀螺的工作原理 石英微陀螺是基于哥氏效应进行工作的，与其他振动陀螺的不同之处在于石 英是压电材料，因此石英微陀螺一般利用压电效应和逆压电效应进行驱动和检测。 石英微陀螺一般采用音叉结构感测角速度。如图2 2 所示，上端音叉为驱动音 叉，下端音叉为检测音叉。工作时，利用逆压电效应，驱动信号激励驱动音叉以 固定频率、固定振幅在音叉所在平面内振动，当振动元件绕其垂直输入轴旋转时， 音叉受到哥氏力的作用产生一个垂直于音叉平面的振动，并传到检测音叉。外部 电路敏感检测音叉的振动，经过放大、解调、滤波，从而得到与输入角速度成比 例的输出电压信号【2 6 。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 2 石英微陀螺工作原理图 为检测由哥氏力产生的电荷，音叉式石英微陀螺需要在5 0 0 1 a m 厚的检测梁侧 壁镀制两道平行分开的敏感电极，如图2 3 所示【2 7 1 ，这给加工工艺带来极大困难， 降低了成品率。为此，本文设计了一种新型石英微陀螺结构【2 引，该陀螺通过检测 敏感梁的剪应力来感测哥氏力。利用剪应力检测方法可以有效地降低结构复杂性， 简化陀螺的制造工艺，特别是可以简化敏感电极的制造工艺。 检测粱 敏感电 图2 3 镀制双电极的检测梁侧壁 基于剪应力检测的石英微陀螺的基本结构如图2 4 所示，该结构包括一个支撑 质量块、两个检测梁、两个驱动梁以及四个可动质量块。整个结构以支撑质量块 为中心分别沿x 、y 方向呈对称结构。该陀螺包含两个驱动电极和四个敏感电极。 其驱动振动方向为x 轴方向，检测振动方向为y 轴方向，敏感角速度方向为z 轴 方向。驱动模态和检测模态如图2 5 所示。工作时，在逆压电效应作用下，使驱动 梁在x 轴方向上做弯曲振动，从而带动四个质量块的振动，并且在同一驱动梁上 的可动质量块的振动方向相同，在不同驱动梁上的可动质量块振动方向相反。当 在z 方向上有角速度输入时，则质量块将受到y 方向上的哥氏力，从而使检测梁 产生y 方向的弯曲振动。由敏感振动产生的梁内剪应力通过压电效应将在检测梁 侧壁上产生电荷信号，因此可以通过敏感检测梁侧壁的电极信号来感测输入的角 速度。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 幽2 4 白共微| 螺笫构不葸