微機(jī)械石英陀螺敏感元件的設(shè)計(jì)與制造研究.pdf

1、MEMS 是近年來比較熱門的一個新興的技術(shù)領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。MEMS技術(shù)在慣性領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用催生了微慣性技術(shù)。微慣性技術(shù)的發(fā)展，主要集中在微機(jī)械加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺這兩大類產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)。而微機(jī)械石英陀螺是微機(jī)械陀螺中發(fā)展較快的一種。微機(jī)械石英陀螺，是二十世紀(jì)八十年代末出現(xiàn)的一種微慣性器件，屬于中低精度陀螺。微機(jī)械石英陀螺，以其具有的成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點(diǎn)在現(xiàn)代精確打擊戰(zhàn)術(shù)武器的軍事方面和民用汽車等非軍事方面獲得了

2、廣泛的應(yīng)用，顯示其是一種非常有前途的微機(jī)械振動陀螺。 在研究微機(jī)械石英陀螺的國內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對微機(jī)械石英陀螺的設(shè)計(jì)、制造和振動模式測試等方面進(jìn)行了深入研究，研究的內(nèi)容及成果如下： 總結(jié)和研究了壓電石英晶體的材料特性和微機(jī)械石英陀螺的動力學(xué)問題。指出柯氏力偶引起的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動是實(shí)現(xiàn)石英陀螺的機(jī)械解耦的關(guān)鍵。同時在深入研究公理設(shè)計(jì)理論和振動陀螺原理的基礎(chǔ)上，提出了振動陀螺的公理設(shè)計(jì)模型。振動陀螺的公理設(shè)計(jì)模型解決了

3、陀螺設(shè)計(jì)中有運(yùn)動耦合的問題，使得原先一些從經(jīng)驗(yàn)、甚至直覺發(fā)展而來的微機(jī)械振動陀螺的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有了科學(xué)的依據(jù)。這對微機(jī)械振動陀螺的規(guī)范化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新是有較大的指導(dǎo)意義的。 在振動陀螺的公理設(shè)計(jì)模型的指導(dǎo)下，對微機(jī)械石英陀螺的材料特性和現(xiàn)有的微機(jī)械石英陀螺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，提出了一種新的結(jié)構(gòu)，即微機(jī)械梳齒石英陀螺。用有限元方法對其進(jìn)行了模態(tài)研究，并分析了相關(guān)尺寸參數(shù)對微機(jī)械梳齒石英陀螺的振動模態(tài)的影響。推導(dǎo)建立了微機(jī)械梳齒石英陀螺的

4、集總參數(shù)模型并據(jù)此開展了驅(qū)動模式和感測模式的定量研究。 微機(jī)械石英陀螺的電路主要是驅(qū)動電路和檢測電路。選用ADM8660 實(shí)現(xiàn)升壓，并采用專用函數(shù)信號發(fā)生器XR-2206 產(chǎn)生恒頻等幅正弦驅(qū)動信號。檢測電路須實(shí)現(xiàn)陀螺元件輸出信號的放大、解調(diào)和濾波功能。通過電荷放大器和鎖定放大器得到了高信噪比的信號。最后運(yùn)用Matlab 對檢測電路進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，采用鎖定放大原理，只要處理好電路中的噪聲和濾波的效果就可以得到很高的

5、信噪比。 研究了微機(jī)械石英陀螺加工制造中涉及到的問題。并結(jié)合現(xiàn)有條件，對超聲波加工及超聲加工石英機(jī)理等問題進(jìn)行了研究。用超聲成型加工方法加工出了微機(jī)械梳齒石英陀螺基片結(jié)構(gòu)。 針對MEMS 結(jié)構(gòu)的尺寸微小，共振頻率高這一特點(diǎn)，開發(fā)研制了MEMS 用的多載荷加載臺。通過這一多載荷加載臺，可以進(jìn)行基礎(chǔ)激勵、溫度和壓力的精確控制，實(shí)現(xiàn)不同的真空環(huán)境下MEMS的靜動態(tài)性能測試。同時也據(jù)此開展了微機(jī)械梳齒石英陀螺的振動模式的研究