基于SiO2掩膜层的硅基微半球谐振子模具加工工艺

微半球模具的三维对称性对半球谐振子的性能有着决定性的影响。提出使用热氧化工艺生长的SiO2材料作为掩膜层,以达到在使用HNA腐蚀溶液制作微半球陀螺谐振子模具的过程中加快纵向腐蚀速率及实现半球模具三维对称的目的。详细研究了不同腐蚀窗初始半径下HNA腐蚀溶液对〈111〉单晶硅进行纵向和侧向腐蚀时,其腐蚀深度和腐蚀速率的演化规律,并在此基础上通过设置适当的腐蚀窗初始半径(5μm)以及腐蚀时间(15 min),成功制作出了半径为38.937 7μm的三维对称半球谐振子模具,通过球度拟合证明该模具整体半径方差为0.789 3μm,球度偏差为2%,为半球谐振子三维对称性的提升奠定了基础。     

基于优化半球陀螺谐振子性能的工艺技术

半球谐振子是半球谐振陀螺的关键组成部件,而其性能参数是制造高精度半球谐振陀螺的关键,针对谐振子加工后表面的复杂结构、多种缺陷层和球壳质量不平衡,讨论化学处理工艺和离子束调平技术对谐振子主要性能参数品质因数和频差的优化。实验结果表明该工艺技术效果显著。     

半球陀螺谐振子的金属化镀膜工艺技术研究

高品质因数(即高Q值,Q>107)的石英半球谐振子是制造高精度半球谐振陀螺的关键,而球面金属化镀膜工艺是半球振子制造的重要工艺环节。该文介绍了金属化镀膜工艺及其膜层均匀性对谐振子品质因数的影响及降低膜层残余应力的工艺解决方案等。     

高结构对称性微半球陀螺设计与制造

针对陀螺高精度小型化需求,该文设计了一种微半球陀螺结构,建立微半球陀螺三维有限元模型,研究了微半球谐振子结构对称性对陀螺性能的影响规律。提出了谐振子圆度及1～4阶质量不对称误差的评价方法,实现了谐振子制造工艺优化,优化后的谐振子圆度误差≤2μm,在此基础上研制了微半球陀螺样机。结果表明,封装后陀螺样机的周向品质因数(Q)值分布为(9.024～9.183)×10⁵,均匀性为±0.87%;速率模式下,陀螺量程为±20 (°)/s时,陀螺零偏不稳定性为0.013 8 (°)/h,角度随机游走为■,展现了高结构对称性微半球陀螺的性能潜力。     

微谐振陀螺仪从半球到平面的演变

微谐振陀螺仪是一种固体波动陀螺,常采用微纳制造工艺进行加工,具有小体积、高性能、低功耗、批量化等特点。自1975年世界上第一个半球谐振陀螺诞生以来,微谐振陀螺的谐振子拓扑结构经历了三维结构到二维结构的演变。文章以拓扑结构的发展脉络为主线,对微谐振陀螺的发展过程进行了梳理和总结,最后对目前存在的问题进行了分析,对未来的发展进行了展望。     

重力场对半球谐振陀螺性能的影响

半球谐振陀螺是唯一能达到惯导级精度的振动陀螺,其谐振子振动状态可能受外界环境条件影响而发生改变,使陀螺信号输出不稳定。为研究半球谐振陀螺对不同方向重力场的敏感性,分析了重力场引起半球谐振陀螺信号输出改变的机理,使用有限元法（FEM）对谐振子进行了结构刚度及锚点损耗两个维度的动力学仿真分析,并开展相应测试验证分析结论。结果表明,不同方向的重力场对半球谐振陀螺的性能无明显影响。     

基于分次吹制工艺的微半球陀螺制作

提出了一种微半球谐振子分次吹制工艺新方法,通过增加第二次旋转吹制的方式,以补偿第一次吹制过程中由于温度场不均匀性造成的谐振子对称度误差。设计了微半球陀螺整体工艺方案,并制作了硼硅酸玻璃材质的微半球谐振子及陀螺样品,测试结果表明,分次吹制后的谐振子频差由单次吹制的30～60 Hz降至10 Hz以内。经与力平衡控制电路联调,陀螺零偏不稳定性为8.2 (°)/h。     

半球谐振陀螺仪线振动影响分析

在实际运用中,半球谐振陀螺仪受各种环境因素包括线振动的影响,而线振动可能会改变半球谐振子的工作状态。分析半球谐振陀螺仪在谐振子质量沿圆周角分布不均匀的情况下,线振动引起的惯性力对半球谐振子的工作状态的影响,并通过考察半球谐振子驻波进动角的变化来判断谐振子工作状态是否发生变化。结果表明,只有在线振动频率等于陀螺固有频率时,线振动才会对半球谐振陀螺仪谐振子的工作状态产生显著影响。     

半球谐振子不平衡力的推导及与驻波关系研究

半球谐振陀螺作为一种高精度的陀螺仪,具有良好的学术研究价值及重要的应用价值,是国内外研究的热点。半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,是一种工作中做四波腹振动的半球壳结构。由于在实际加工过程中存在误差,因此实际的谐振子无法达到理想的轴对称结构,这将导致谐振子在做四波腹振动时产生其他振动,从而对陀螺的精度产生影响。其主要原因是谐振子做四波腹振动时,非轴对称结构将产生非对称的惯性力。为此,该文对谐振子的不平衡力进行了理论推导,给出了半球谐振陀螺不平衡力的理论公式,并通过数值计算给出不平衡力与驻波方位间定量的关系,为分析不平衡质量对陀螺精度的影响提供参考。     

基于平板电极的半球谐振陀螺全角技术研究

全角模式下的半球谐振陀螺是速率积分陀螺,具有测量范围宽、带宽高和精度高等特点。该文对由谐振子和平板电极组成的两件套半球谐振陀螺的全角模式进行了研究,介绍了全角模式振型控制与信号解算方法;通过FPGA+DSP的构架,实现了全角模式半球谐振陀螺振型控制,并解算了驻波方位角。实验数据证实,研制的两件套半球谐振陀螺样机能够实现速率积分陀螺的功能,测量范围达±400 (°)/s,陀螺最大系统漂移20 (°)/h。相对于力平衡模式半球谐振陀螺,其拓宽了半球谐振陀螺的测量范围,为进一步提升全角半球谐振陀螺的精度奠定了基础。     

半球谐振陀螺静电驱动建模与分析

该文构建了半球谐振陀螺(HRG)谐振子的静电驱动模型,对半球谐振子的1/2倍、1倍、2倍和更高阶频率电压信号的静电驱动力进行了理论推导分析。结果表明,该文得到的半球谐振子仅对其1/2倍、1倍及2倍谐振频率敏感,对其他频率信号不敏感。并推导出施加不同方式驱动电压信号力的大小,为半球谐振陀螺的驱动和闭环电路设计提供了依据。     

图形化蓝宝石衬底工艺研究进展

图形化蓝宝石衬底(PSS)技术是一种提高LED亮度的新技术。结合光刻和刻蚀工艺制作图形化蓝宝石衬底。有关图形化蓝宝石衬底的研究主要集中在对光刻和刻蚀工艺的研究,以及图形化蓝宝石衬底提高LED亮度的机理。目前微米级图形化蓝宝石衬底已经得到普遍的应用,与基于平坦蓝宝石衬底的LED相比,PSS-LED的发光功率提高了30%左右。图形化蓝宝石衬底技术的发展经历了从早期的条纹状图形到目前应用较广的半球形和锥形图形,从湿法刻蚀到干法刻蚀,从微米级到纳米级图形的演变。由于能够显著提高LED亮度,纳米级图形化蓝宝石必将得到广泛的运用。     

MEMS半球谐振陀螺的角速度积分及其FPGA设计

微电子机械系统(MEMS)半球谐振陀螺是MEMS微陀螺领域的研究热点,能工作在角速度积分模式下,具有体积小、质量轻、功耗低、成本低、对称性高、Q值高,以及精度高等优点.文章给出了一种微型半球谐振陀螺的结构,研究了其工作原理以及检测方法,设计了一种数字式MEMS半球谐振陀螺仪的角速度积分工作模式方案及其FPGA实现方法,以完成目前MEMS半球谐振陀螺的角速度积分模式的控制与检测工作.     

基于MODBUS协议的半球陀螺控制软件设计

采用了MODBUS协议作为半球谐振陀螺(HRG)数字控制电路系统的通讯协议,介绍了半球陀螺的控制原理和MODBUS协议,给出了软件具体设计途径。经过实践应用,采用MODBUS协议能很好地满足半球陀螺数字控制电路的开发要求。     

瑕疵半球谐振子频率分歧修正

针对半球谐振陀螺仪中半球谐振子频率分歧修正难题,该文提出在谐振子唇缘端固有刚性轴上去除四点修正方法。首先通过COMSOL有限元仿真建立瑕疵与固有刚性轴之间的关系,得到只有在固有刚性轴上才可以准确修正谐振子频率分歧。其次通过谐振子二维弹簧 阻尼运动方程求解谐振子运动轨迹,并通过MATLAB仿真得到李萨如图,由图可知,在阻尼较小的情况下,用自由振动法可以快速准确地找到固有刚性轴。再通过COMSOL有限元仿真验证了在半球谐振子固有刚性轴重轴唇缘位置4个正交对称区域,可以修正由质量瑕疵造成的频率分歧。结果表明,通过实验辨识得到谐振子频率分歧及瑕疵位置,可以为后续使用飞秒激光器进行刻蚀调平提供研究基础,实现飞秒激光调平。     

检测误差对半球谐振陀螺进动因子的影响分析

全角(WA)模式的半球谐振陀螺(HRG)进动因子只与球壳谐振子的物理尺寸有关,但由于读出电极非正交耦合及间隙失配、检测电路增益误差等检测误差,导致进动因子的周向一致性退化。该文首先对理想半球谐振陀螺的进动因子进行了理论推导,然后针对检测误差对进动因子的影响进行了分析,结合具体的全角模式控制电路与算法,提出了检测误差的校正方法,最后通过实验验证了该校正方法的有效性。实验结果表明,进动因子的周向一致性提升了2个数量级。     

一种硅微机械陀螺制造方法研究

给出了一种硅微机械陀螺制造方法,该方法可适用于各种不同的微机电系统(MEMS)器件,包括加速度计、剪切应力传感器及MEMS光开关等。利用该方法制备了硅微机械陀螺,并给出了该陀螺的性能测试结果。同时分析了利用该方法制备各种不同器件时,工艺流程对器件性能的影响,重点讨论了硅-玻璃阳极键合、减薄工艺及深刻蚀所形成的侧壁质量,包括侧壁垂直度、侧壁杂质等因素对器件性能的影响。     

用于精确定向的低噪声半球陀螺设计

半球谐振陀螺是一种高精度、长寿命的新型振动陀螺仪。为设计具备良好角速率测量精度和低噪声特性的半球陀螺及满足航天器精确定向和姿态控制需求,该文分析了半球陀螺噪声产生的机理,讨论了谐振子参数、控制系统参数及电子线路对半球陀螺噪声的影响,并针对敏感器和电子线路进行了优化设计。结果表明,优化设计后的半球陀螺噪声及角度随机游走显著降低,约为改进前的50%,与美国Northrop Grumman公司HRG130P半球谐振陀螺基本型的噪声水平基本相当。