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过去二十年来,随着MEMS技术的发展,硅微陀螺仪作为检测角速率或者角度的传感器,受到越来越多的关注,产品已应用于图像稳定系统,汽车安全系统以及导航与制导系统等。当输入角速度时,哥式效应的作用使得能量从驱动模态向检测模态发生转移,振动式硅微陀螺通过此时检测模态的振幅获得角度信息。制约振动式硅微陀螺性能的重要因素之一是机械耦合误差。有关机械耦合的研究文献较多,但是对半解耦陀螺以及全解耦陀螺的机械耦合误差分析很少有提及。
本文主要研究半解耦式陀螺与全解耦式陀螺的机械耦合误差,建立其分析模型。将半解耦陀螺结构简化为所有刚度集中在实际振动的方向,与振动方向正交方向刚度无限大。检测质量块的振动研究以驱动框架为参考系,通过位移叠加最终得到半解耦陀螺结构的耦合误差。采取同样的方式获得全解耦陀螺的机械耦合误差模型,通过力学分析建立动态方程最终求解得到全解耦模型的机械耦合误差公式。
在解耦式陀螺的误差模型基础上,提出了全解耦式陀螺设计Designl和全新可动电极半解耦式陀螺设计Design2。Design1通过解耦梁的设计,由两个检测质量块同步运动,结构中间区域进行检测的设计。通过仿真得到其耦合误差位移较小。但在动态情况下,其耦合误差位移比较高。对于Design2,采用新型可动电极式设计,通过检测质量块与悬浮检测电极沿检测方向产生的相对位移对角度进行测量。新设计通过有限元仿真发现其机械耦合位移较小,在动态情况下仍然得到较低的耦合误差比,解耦性能优良。
Design2实现工艺上,创建了深槽电隔离工艺的设计,在此基础上完成了实现Design2的整体工艺流程设计,并对关键工艺进行工艺开发与研究探索。获得深槽电隔离工艺,玻璃深槽工艺,离子反应深刻蚀工艺,减薄工艺,阳极键合工艺等工艺参数。深槽电隔离梁电隔离效果明显,验证了整体工艺的可实现性。