微型熱膨脹式流體陀螺及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、微型熱膨脹式流體陀螺是一種新型工作原理的微流體慣性器件，其具有結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝簡便、成本極低、可靠性高、抗振動和沖擊特性優(yōu)秀等特點。以提高熱膨脹式流體陀螺性能為研究目標(biāo)，針對熱膨脹式流體陀螺的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　為解決目前流體數(shù)值分析計算軟件無法直接進(jìn)行流體哥氏效應(yīng)分析的問題，根據(jù)熱流體基本理論，建立了包含哥氏加速度項的微型熱膨脹式流體陀螺的理論模型。根據(jù)上述陀螺理論模型方程組，建立了熱膨脹式流體陀螺COMSOL二維仿真簡

2、化模型，數(shù)值求解出了氣體的流場和溫度場。
　　熱膨脹式流體陀螺的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的微機(jī)械振動陀螺，為了提高熱膨脹式流體陀螺的靈敏度，研究分析了氣體熱容、熱導(dǎo)率、粘滯系數(shù)、壓強(qiáng)、溫度傳感器位置、加熱源驅(qū)動信號頻率以及加熱源功率對陀螺靈敏度的影響。綜合考慮，給出了熱膨脹式流體陀螺的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。
　　研制了一種以鉑為結(jié)構(gòu)層材料的新型熱膨脹式流體陀螺微加工工藝，重點研究了加工鉑結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)低應(yīng)力釋放兩個關(guān)鍵工藝。采用雙層光刻膠剝離

3、工藝加工出了100nm厚的鉑電阻絲結(jié)構(gòu)。設(shè)計采用530nm厚度的二氧化硅支撐橋克服了原有加工中熱應(yīng)力造成鉑電阻絲斷裂問題。研究利用二氟化氙氣體刻蝕單晶硅的同時也刻蝕二氧化硅的特性，設(shè)計采用30nm厚的二氧化硅替代光刻膠作為二氟化氙刻蝕硅腔體的掩膜層，不僅解決了二氟化氙過刻蝕腔體側(cè)壁造成鉑電阻絲變形的問題，同時也避免了二氟化氙刻蝕完成后不能濕法除去光刻膠的問題。完成了熱膨脹式流體陀螺的制備。
　　研究搭建了陀螺測試系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明

4、加工出的熱膨脹式流體陀螺在加熱源驅(qū)動方波信號頻率為12.50Hz，占空比為37.5％時具有最大靈敏度，且陀螺的靈敏度以加熱源功率的二次函數(shù)形式增大。當(dāng)方波驅(qū)動信號頻率為12.50Hz，占空比為37.5％，功率為4mW時，加工出的熱膨脹式流體陀螺的標(biāo)度因數(shù)（靈敏度）均值為0.406 mV/°/s，標(biāo)度因數(shù)非線性度小于0.3％，標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性小于0.2％。熱膨脹式流體陀螺的結(jié)構(gòu)靈敏度約為47μV/°/s。陀螺的零偏穩(wěn)定性為5.59°/s，角

5、度隨機(jī)游走為0.3°/√s，帶寬約為18Hz。
　　由于熱膨脹式流體陀螺存在較大的線加速度效應(yīng)，首先分析了產(chǎn)生熱膨脹式流體陀螺線加速度誤差信號的機(jī)理。提出通過降低陀螺加熱源驅(qū)動信號頻率，使得陀螺腔體內(nèi)氣體工作在瞬態(tài)階段和穩(wěn)態(tài)階段。溫度傳感器在氣體瞬態(tài)階段檢測到的溫度差中包含角速度信號和線加速度信號，而溫度傳感器在氣體穩(wěn)態(tài)階段檢測到的溫度差僅包含線加速度信號。采用數(shù)字信號處理的方式，根據(jù)穩(wěn)態(tài)階段的溫度差補(bǔ)償瞬態(tài)階段的溫度差中的線加速