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微半球振动陀螺的装配误差分析与精密微调机构设计
被引量:
2
1
作者
席翔
肖定邦
+4 位作者
李微
卢坤
石岩
袁超
吴学忠
《机械工程学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2020年第13期77-83,共7页
分析了微半球振动陀螺的装配误差形成机理,对装配精度要求进行了计算。在微半球结构锚点直径为1 mm的情况下,要保证装配间隙均匀度小于10%,锚点面的高度偏差需要小于0.1μm。通过数值计算和有限元模型,分别研究了装配误差对电极驱动能...
分析了微半球振动陀螺的装配误差形成机理,对装配精度要求进行了计算。在微半球结构锚点直径为1 mm的情况下,要保证装配间隙均匀度小于10%,锚点面的高度偏差需要小于0.1μm。通过数值计算和有限元模型,分别研究了装配误差对电极驱动能力、静态检测电容、静电刚度调节能力,以及1阶模态振型的影响。计算结果表明,电极间隙不均匀对检测、驱动和静电刚度修调能力的影响分别呈1、2、3次方关系,同时会引起微幅的结构偏摆。为提升电极装配间隙均匀性,设计了一种基于柔性缩小单元的微位移调节机构。该机构利用螺旋调节旋钮和柔性垫块,使石英玻璃基底产生2自由度微幅摆动,从而实现较高精度的装配。测试结果表明,微半球振动陀螺装配后平均电容误差约为30%~40%,但引入了较大的寄生电容,消除该影响后,电容平均误差为12%。
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关键词
微半球振动陀螺
装配误差
精密微调
位移缩小机构
原文传递
基于SiO2掩膜层的硅基微半球谐振子模具加工工艺
2
作者
郑显泽
李严军
+2 位作者
王月
唐彬
熊壮
《微纳电子技术》
北大核心
2020年第4期312-319,332,共9页
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...
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。
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关键词
微半球谐振陀螺
各向同性腐蚀
HNA腐蚀溶液
单晶硅
半球谐振子
SIO2
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职称材料
微型半球谐振陀螺仪谐振体振动特性研究
被引量:
3
3
作者
嵇海平
吴洪涛
+1 位作者
倪受东
朱剑英
《传感器与微系统》
CSCD
北大核心
2006年第3期44-47,50,共5页
半球壳谐振体是微型半球谐振陀螺的敏感部件。应用有限元方法对半球谐振体进行振动特性分析,得出一种计算其质量和刚度矩阵的方法,并通过M athem atica软件计算出各阶固有频率;同时,应用ANSYS软件,分析谐振体的各阶振型和固有频率与半...
半球壳谐振体是微型半球谐振陀螺的敏感部件。应用有限元方法对半球谐振体进行振动特性分析,得出一种计算其质量和刚度矩阵的方法,并通过M athem atica软件计算出各阶固有频率;同时,应用ANSYS软件,分析谐振体的各阶振型和固有频率与半球壳半径、厚度及固定角之间的关系。在理论分析的基础之上,提出了对于半球壳谐振体的结构设计的合理建议。
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关键词
微型半球谐振陀螺
有限元
质量矩阵
刚度矩阵
结构设计
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职称材料
一种微半球谐振陀螺的制造方法与测试
被引量:
7
4
作者
卢坤
肖定邦
+3 位作者
孙江坤
石岩
席翔
吴学忠
《中国惯性技术学报》
EI
CSCD
北大核心
2020年第5期561-567,共7页
针对无人装备对惯性器件微小型化的需求,设计了一种新型的速率积分型微半球谐振陀螺。该陀螺设计有均匀分布的灵敏度放大单元,可提升驱动与检测效率。谐振结构采用高温旋转吹制技术加工,整体结构为面外电极形式,并采用圆片级微组装工艺...
针对无人装备对惯性器件微小型化的需求,设计了一种新型的速率积分型微半球谐振陀螺。该陀螺设计有均匀分布的灵敏度放大单元,可提升驱动与检测效率。谐振结构采用高温旋转吹制技术加工,整体结构为面外电极形式,并采用圆片级微组装工艺装配。针对微半球谐振陀螺存在的初始频率裂解,提出了一种精密机械修调方法,可实现0.1 Hz内精度频率匹配修调。在此基础上,基于速率积分控制原理设计制造了陀螺的数字化测控电路。真空封装后陀螺工作频率约为6602 Hz,频率裂解为49 mHz,品质因数高于90万,衰减时间常数可达40 s。首次系统性测试了速率积分模式微半球谐振陀螺的综合性能,测试结果表明,陀螺零偏不稳定性(Allan方差)为0.235°/h,角度随机游走为0.0066°/h1/2,量程可高达±3000°/s,标度因数非线性优于8 ppm,标度因数对称性优于5 ppm,标度因数重复性优于1 ppm。
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关键词
微半球谐振陀螺
速率积分模式
熔融石英
飞秒激光修调
品质因数
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职称材料
表面金属化对微半球陀螺品质因数影响研究
被引量:
1
5
作者
王振军
何汉辉
+3 位作者
李微
卢坤
石岩
肖定邦
《传感器与微系统》
CSCD
2019年第9期6-8,共3页
熔融石英谐振结构是微半球谐振陀螺的核心部件,为满足陀螺应用需求,需要对谐振结构进行表面金属化处理以增强其导电性。利用COMSOL软件对表面金属化后谐振结构的热弹性损耗进行了仿真和分析。结果表明:表面金属层会极大地增加谐振结构...
熔融石英谐振结构是微半球谐振陀螺的核心部件,为满足陀螺应用需求,需要对谐振结构进行表面金属化处理以增强其导电性。利用COMSOL软件对表面金属化后谐振结构的热弹性损耗进行了仿真和分析。结果表明:表面金属层会极大地增加谐振结构热弹性损耗,且表面金属层越厚,对热弹性品质因数影响越大。同时,对同一批次金属化后的微半球谐振结构进行了测试以及退火。测试结果表明:退火后谐振结构品质因数有显著提升,最高提升112. 63%。
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关键词
表面金属化
微半球谐振陀螺
品质因数
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职称材料
基于质量-刚度解耦的微半球谐振陀螺频差高精度修调方法
6
作者
李斌
席翔
+6 位作者
卢坤
段京保
孙江坤
石岩
张勇猛
肖定邦
吴学忠
《中国科学:技术科学》
EI
CSCD
北大核心
2023年第8期1400-1410,共11页
微半球谐振陀螺是最具发展潜力的高性能微机电系统(MEMS)陀螺之一,其工作时驱动、检测模态频率需要高度匹配,因此两个工作模态间的频差(频率裂解)是影响陀螺性能的关键因素.机械修调是调节频差的重要手段,其精度决定了模态匹配程度.通...
微半球谐振陀螺是最具发展潜力的高性能微机电系统(MEMS)陀螺之一,其工作时驱动、检测模态频率需要高度匹配,因此两个工作模态间的频差(频率裂解)是影响陀螺性能的关键因素.机械修调是调节频差的重要手段,其精度决定了模态匹配程度.通过飞秒激光去除质量调节模态频率是一种高效率、高精度的修调方法,但当谐振结构频差处于较小值(约100 mHz)时,观测到线性微质量去除难以进一步降低频差.本文重点针对该过程中的质量-刚度耦合现象开展研究,首先建立了微质量扰动下的质量-刚度耦合变化模型,然后通过有限元模型仿真分析了质量-刚度耦合对修调精度的影响,得到了不同直径与深度修调孔下的微量频差变化,结果揭示了修调孔直径对结构局部刚度的影响规律,以及修调孔深度对局部质量的影响规律.进一步的分析表明,当修调深度超过阈值时能够实现对质量-刚度影响的解耦,因此文中提出了基于质量-刚度解耦的高精度修调方法.最后,对该方法进行了实验验证,将微半球谐振陀螺的频差降低至7 mHz,有效提升了微半球谐振陀螺的机械修调精度.
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关键词
微半球谐振陀螺
机械修调
质量-刚度耦合
飞秒激光修调
原文传递
微半球谐振陀螺频率修调技术研究进展
7
作者
卢坤
肖定邦
+2 位作者
石岩
席翔
吴学忠
《微纳电子与智能制造》
2020年第4期59-64,共6页
微半球谐振陀螺是一种基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)工艺的高精度微陀螺,具有精度高、体积小、功耗低等显著优点,是高性能微机电陀螺的重要发展方向之一。目前,国内外报道的微半球谐振陀螺品质因数已超过500万...
微半球谐振陀螺是一种基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)工艺的高精度微陀螺,具有精度高、体积小、功耗低等显著优点,是高性能微机电陀螺的重要发展方向之一。目前,国内外报道的微半球谐振陀螺品质因数已超过500万,零偏不稳定性已达到导航级指标(0.01°/h),显示出了极大的性能潜力优势。随着微半球谐振陀螺结构尺寸与体积不断减小,其相对制造误差更加凸显,具体表现为陀螺工作模态频率裂解误差,这将直接导致陀螺输出零偏漂移与噪声增大,严重制约陀螺综合性能提升。频率修调技术是微半球谐振陀螺制造过程中的核心工艺之一,不同于传统的机械加工方法,受材料与结构尺寸限制,必须要开发新的修调工艺。介绍了多种微半球谐振陀螺的频率修调方法,对比分析了不同工艺特点,并对微半球谐振陀螺修调技术发展趋势进行了总结与展望。
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关键词
微半球谐振陀螺
频率裂解
模态匹配
频率修调
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职称材料
题名
微半球振动陀螺的装配误差分析与精密微调机构设计
被引量:
2
1
作者
席翔
肖定邦
李微
卢坤
石岩
袁超
吴学忠
机构
国防科技大学智能科学学院
出处
《机械工程学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2020年第13期77-83,共7页
基金
国家自然科学基金资助项目(51935013)。
文摘
分析了微半球振动陀螺的装配误差形成机理,对装配精度要求进行了计算。在微半球结构锚点直径为1 mm的情况下,要保证装配间隙均匀度小于10%,锚点面的高度偏差需要小于0.1μm。通过数值计算和有限元模型,分别研究了装配误差对电极驱动能力、静态检测电容、静电刚度调节能力,以及1阶模态振型的影响。计算结果表明,电极间隙不均匀对检测、驱动和静电刚度修调能力的影响分别呈1、2、3次方关系,同时会引起微幅的结构偏摆。为提升电极装配间隙均匀性,设计了一种基于柔性缩小单元的微位移调节机构。该机构利用螺旋调节旋钮和柔性垫块,使石英玻璃基底产生2自由度微幅摆动,从而实现较高精度的装配。测试结果表明,微半球振动陀螺装配后平均电容误差约为30%~40%,但引入了较大的寄生电容,消除该影响后,电容平均误差为12%。
关键词
微半球振动陀螺
装配误差
精密微调
位移缩小机构
Keywords
micro
-
hemispherical
resonator
gyroscope
assembly
error
precise
micro
-regulate
motion
reduction
mechanism
分类号
TP212 [自动化与计算机技术—检测技术与自动化装置]
原文传递
题名
基于SiO2掩膜层的硅基微半球谐振子模具加工工艺
2
作者
郑显泽
李严军
王月
唐彬
熊壮
机构
中国工程物理研究院电子工程研究所
出处
《微纳电子技术》
北大核心
2020年第4期312-319,332,共9页
基金
中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室资助项目(ZM18005)
新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室开发基金资助项目。
文摘
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。
关键词
微半球谐振陀螺
各向同性腐蚀
HNA腐蚀溶液
单晶硅
半球谐振子
SIO2
Keywords
micro
-
hemispherical
resonator
gyroscope
isotropic
etching
HNA
etching
solution
single
crystal
silicon
hemispherical
resonator
SiO2
分类号
TN305 [电子电信—物理电子学]
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职称材料
题名
微型半球谐振陀螺仪谐振体振动特性研究
被引量:
3
3
作者
嵇海平
吴洪涛
倪受东
朱剑英
机构
南京航空航天大学机电学院
出处
《传感器与微系统》
CSCD
北大核心
2006年第3期44-47,50,共5页
基金
江苏省自然科学基金资助项目(BK2003091)
文摘
半球壳谐振体是微型半球谐振陀螺的敏感部件。应用有限元方法对半球谐振体进行振动特性分析,得出一种计算其质量和刚度矩阵的方法,并通过M athem atica软件计算出各阶固有频率;同时,应用ANSYS软件,分析谐振体的各阶振型和固有频率与半球壳半径、厚度及固定角之间的关系。在理论分析的基础之上,提出了对于半球壳谐振体的结构设计的合理建议。
关键词
微型半球谐振陀螺
有限元
质量矩阵
刚度矩阵
结构设计
Keywords
micro
-
hemispherical
resonator
gyroscope
(
micro
-HRG)
finite
element
quality
matrix
stiffness
matrix
structure
design
分类号
TP212.9 [自动化与计算机技术—检测技术与自动化装置]
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职称材料
题名
一种微半球谐振陀螺的制造方法与测试
被引量:
7
4
作者
卢坤
肖定邦
孙江坤
石岩
席翔
吴学忠
机构
国防科技大学智能科学学院
出处
《中国惯性技术学报》
EI
CSCD
北大核心
2020年第5期561-567,共7页
基金
国家自然科学基金(51935013)。
文摘
针对无人装备对惯性器件微小型化的需求,设计了一种新型的速率积分型微半球谐振陀螺。该陀螺设计有均匀分布的灵敏度放大单元,可提升驱动与检测效率。谐振结构采用高温旋转吹制技术加工,整体结构为面外电极形式,并采用圆片级微组装工艺装配。针对微半球谐振陀螺存在的初始频率裂解,提出了一种精密机械修调方法,可实现0.1 Hz内精度频率匹配修调。在此基础上,基于速率积分控制原理设计制造了陀螺的数字化测控电路。真空封装后陀螺工作频率约为6602 Hz,频率裂解为49 mHz,品质因数高于90万,衰减时间常数可达40 s。首次系统性测试了速率积分模式微半球谐振陀螺的综合性能,测试结果表明,陀螺零偏不稳定性(Allan方差)为0.235°/h,角度随机游走为0.0066°/h1/2,量程可高达±3000°/s,标度因数非线性优于8 ppm,标度因数对称性优于5 ppm,标度因数重复性优于1 ppm。
关键词
微半球谐振陀螺
速率积分模式
熔融石英
飞秒激光修调
品质因数
Keywords
micro
hemispherical
resonator
gyroscope
rate-integrating
mode
fused
silica
femtosecond
laser
trimming
quality
factor
分类号
V241.5 [航空宇航科学与技术—飞行器设计]
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职称材料
题名
表面金属化对微半球陀螺品质因数影响研究
被引量:
1
5
作者
王振军
何汉辉
李微
卢坤
石岩
肖定邦
机构
国防科技大学智能科学学院
出处
《传感器与微系统》
CSCD
2019年第9期6-8,共3页
基金
国家自然科学基金资助项目(51505490)
文摘
熔融石英谐振结构是微半球谐振陀螺的核心部件,为满足陀螺应用需求,需要对谐振结构进行表面金属化处理以增强其导电性。利用COMSOL软件对表面金属化后谐振结构的热弹性损耗进行了仿真和分析。结果表明:表面金属层会极大地增加谐振结构热弹性损耗,且表面金属层越厚,对热弹性品质因数影响越大。同时,对同一批次金属化后的微半球谐振结构进行了测试以及退火。测试结果表明:退火后谐振结构品质因数有显著提升,最高提升112. 63%。
关键词
表面金属化
微半球谐振陀螺
品质因数
Keywords
surface
metallization
micro
hemispherical
resonator
gyroscope
quality
factor
分类号
TN96 [电子电信—信号与信息处理]
TH824.3 [电子电信—信息与通信工程]
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职称材料
题名
基于质量-刚度解耦的微半球谐振陀螺频差高精度修调方法
6
作者
李斌
席翔
卢坤
段京保
孙江坤
石岩
张勇猛
肖定邦
吴学忠
机构
国防科技大学智能科学学院
出处
《中国科学:技术科学》
EI
CSCD
北大核心
2023年第8期1400-1410,共11页
基金
国家自然科学基金(批准号:5220053420,520755401,51935013)资助项目。
文摘
微半球谐振陀螺是最具发展潜力的高性能微机电系统(MEMS)陀螺之一,其工作时驱动、检测模态频率需要高度匹配,因此两个工作模态间的频差(频率裂解)是影响陀螺性能的关键因素.机械修调是调节频差的重要手段,其精度决定了模态匹配程度.通过飞秒激光去除质量调节模态频率是一种高效率、高精度的修调方法,但当谐振结构频差处于较小值(约100 mHz)时,观测到线性微质量去除难以进一步降低频差.本文重点针对该过程中的质量-刚度耦合现象开展研究,首先建立了微质量扰动下的质量-刚度耦合变化模型,然后通过有限元模型仿真分析了质量-刚度耦合对修调精度的影响,得到了不同直径与深度修调孔下的微量频差变化,结果揭示了修调孔直径对结构局部刚度的影响规律,以及修调孔深度对局部质量的影响规律.进一步的分析表明,当修调深度超过阈值时能够实现对质量-刚度影响的解耦,因此文中提出了基于质量-刚度解耦的高精度修调方法.最后,对该方法进行了实验验证,将微半球谐振陀螺的频差降低至7 mHz,有效提升了微半球谐振陀螺的机械修调精度.
关键词
微半球谐振陀螺
机械修调
质量-刚度耦合
飞秒激光修调
Keywords
micro
hemispherical
resonator
gyroscope
mechanical
tuning
mass-stiffness
coupling
femtosecond
laser
trimming
分类号
TH824.3 [机械工程—仪器科学与技术]
原文传递
题名
微半球谐振陀螺频率修调技术研究进展
7
作者
卢坤
肖定邦
石岩
席翔
吴学忠
机构
国防科技大学智能科学学院
出处
《微纳电子与智能制造》
2020年第4期59-64,共6页
基金
国家自然科学基金(51935013)项目资助。
文摘
微半球谐振陀螺是一种基于微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)工艺的高精度微陀螺,具有精度高、体积小、功耗低等显著优点,是高性能微机电陀螺的重要发展方向之一。目前,国内外报道的微半球谐振陀螺品质因数已超过500万,零偏不稳定性已达到导航级指标(0.01°/h),显示出了极大的性能潜力优势。随着微半球谐振陀螺结构尺寸与体积不断减小,其相对制造误差更加凸显,具体表现为陀螺工作模态频率裂解误差,这将直接导致陀螺输出零偏漂移与噪声增大,严重制约陀螺综合性能提升。频率修调技术是微半球谐振陀螺制造过程中的核心工艺之一,不同于传统的机械加工方法,受材料与结构尺寸限制,必须要开发新的修调工艺。介绍了多种微半球谐振陀螺的频率修调方法,对比分析了不同工艺特点,并对微半球谐振陀螺修调技术发展趋势进行了总结与展望。
关键词
微半球谐振陀螺
频率裂解
模态匹配
频率修调
Keywords
micro
hemispherical
resonator
gyroscope
frequency
splitting
mode
matching
frequency
trimming
分类号
V241.5 [航空宇航科学与技术—飞行器设计]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
微半球振动陀螺的装配误差分析与精密微调机构设计
席翔
肖定邦
李微
卢坤
石岩
袁超
吴学忠
《机械工程学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2020
2
原文传递
2
基于SiO2掩膜层的硅基微半球谐振子模具加工工艺
郑显泽
李严军
王月
唐彬
熊壮
《微纳电子技术》
北大核心
2020
0
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职称材料
3
微型半球谐振陀螺仪谐振体振动特性研究
嵇海平
吴洪涛
倪受东
朱剑英
《传感器与微系统》
CSCD
北大核心
2006
3
下载PDF
职称材料
4
一种微半球谐振陀螺的制造方法与测试
卢坤
肖定邦
孙江坤
石岩
席翔
吴学忠
《中国惯性技术学报》
EI
CSCD
北大核心
2020
7
下载PDF
职称材料
5
表面金属化对微半球陀螺品质因数影响研究
王振军
何汉辉
李微
卢坤
石岩
肖定邦
《传感器与微系统》
CSCD
2019
1
下载PDF
职称材料
6
基于质量-刚度解耦的微半球谐振陀螺频差高精度修调方法
李斌
席翔
卢坤
段京保
孙江坤
石岩
张勇猛
肖定邦
吴学忠
《中国科学:技术科学》
EI
CSCD
北大核心
2023
0
原文传递
7
微半球谐振陀螺频率修调技术研究进展
卢坤
肖定邦
石岩
席翔
吴学忠
《微纳电子与智能制造》
2020
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