基于剪应力检测的新型石英微陀螺设计理论与关键工艺研究

武器装备小型化、打击精确化急需大量高性能微陀螺，但国内尚未有成熟的微陀螺产品，国外高性能的微陀螺对我国严格限制，因此，提高自主创新能力，攻克微陀螺的技术瓶颈已经迫在眉睫。目前，国内石英微陀螺在性能上有所突破，但还未完全达到应用要求，主要问题在于对其工作机理研究不够，特别是在侧壁上制备多条电极的工艺精度不高。针对上述问题，本项目提出了一种基于剪应力检测的新型石英微陀螺。利用剪应力检测可以将石英微陀螺的单侧壁多电极方式变成单侧壁单电极方式，极大地简化了石英微陀螺的电极制备工艺。此外，剪应力检测所用的机电转换系数是石英中最大的压电系数，利于提升微陀螺的性能。主要研究内容包括剪应力检测的多域分析理论、微陀螺结构设计方法及可批量生产的关键制造工艺等。总之，基于剪应力检测的石英微陀螺具有工艺易于控制、性能易于提升的特点，其研究潜力巨大，该研究成果可以为微陀螺的发展提供一种新思路和新方法。

武器装备小型化、智能化、制导化改造急需大量的微陀螺产品，但国内微陀螺的研究水平与国外差距较大，国外高性能的微陀螺对我国进口严格限制。因此，开展微陀螺关键技术研究，提高微陀螺自主研究创新能力具有重要意义。. 本项目提出了一种基于剪应力检测哥氏力的新方法，基于该方法研制了一种新型石英微陀螺。该新型陀螺是一种弹性支撑全差分的z轴石英微陀螺。与现有石英微陀螺相比，剪应力检测方法采用石英最大的压电系数作为机电转换系数，利于提升微陀螺的灵敏度；同时，该方法使微陀螺的侧壁只需制作单块电极，降低了电极的加工难度。本项目主要围绕基于剪应力检测的新型石英微陀螺的结构设计与优化理论、加工工艺、误差机理与测控技术等开展研究，主要研究内容与获得的研究成果如下：. 1．基于结构的力学特性研究，确定了新型石英微陀螺的结构尺寸。根据敏感梁的模态振型，优化了驱动梁的位置。通过求解零应力点位置，确定了敏感电极的分布区域。利用边缘剪应力与锥度之间的关系，得到了最优的敏感梁锥度。. 2．建立了微陀螺的动力学响应模型，理论描述了微陀螺的动态特性。理论计算了新型石英微陀螺振动的空气阻尼、热弹性阻尼和支撑阻尼，指出驱动梁的振动受热弹性阻尼影响较大，敏感梁的振动受支撑阻尼影响较大。. 3．建立了微陀螺的等效电路模型，通过模型参数描述了微陀螺的动态特性。利用导纳圆的方法，建立了石英微陀螺驱动模态和敏感模态的等效电路，基于能量守恒理论，得到了电域参数与机械域参数之间的具体对应关系。. 4．基于各向异性湿法腐蚀工艺，制作了新型石英微陀螺器件。根据石英晶体的化学性质，设计了以各向异性湿法腐蚀为主的石英微陀螺加工工艺。对加工工艺过程中的工艺误差来源及修正方法进行了研究，通过实验摸索得到了较优的石英陀螺制造工艺参数。. 5．根据新型石英微陀螺的机电耦合特点，研制了石英微陀螺的测控电路。利用压电谐振器理论，设计了用于驱动振动速度检测的弱电流检测电路和用于敏感振动位移检测的弱电荷检测电路。. 6．对新型石英微陀螺的原理样机进行了性能测试。室温下新型石英微陀螺在±150˚/s动态范围内的刻度因子为23.9mV/(˚/s)，非线性度为1.1%，输出噪声频谱密度为0.1(˚/s)/√Hz，零偏稳定性为0.37˚/s，频率温度系数为-6.5ppm/˚C。测试结果验证了本项目所提出的剪应力检测方法以及微陀螺结构设计的正确性。