高性能微半球壳谐振子结构调控机理及封装研究

Micro-technology for Positioning, Navigation and Timing (Micro-PNT) entails miniature gyroscopes with low cost, high performance and low power dissipation. Hemispherical resonator gyro (HRG) have recently attracted much attention for its unique structures and high performance. The key challenge for the micro-scale hemispherical resonator gyro (μHRG) technology is the miniaturization of HRG core component, the hemispherical shell resonator (HSR) with high symmetry and high quality factor and its packaging. This program focuses on a novel fabrication process, a chemical foaming process, to prepare micro-scale glass/quartz hemispherical shell resonators. The vacuum packaging of the resonators will also be studied by using the glass substrate with conductive silicon vias. First, the theoretical analysis and fabrication approach of the micro-scale hemispherical shell resonator (μHSR) will be performed, including μHSR theory, research on μHSR symmetry and energy loss mechanism. Second, structural evolution and precise symetry controlling rule of the hemispherical shells will be studied. Finally, actuating, vacuum packaging and characterization of μHSR will be explored. This research would provide a hemispherical shell resonator with high symmetry and high quality factor for the micro gyroscope of high performance required by micro-PNT, as well as a novel vacuum packaging method with high reliability.

微定位导航授时技术对低成本、高性能微小型陀螺仪提出了迫切的需求。微半球壳谐振陀螺仪因其独特的结构和性能成为研究的热点，其难点在于高对称性、高品质因子的微半球壳谐振子的制备和封装。本项目以低损耗、低热膨胀系数的硼硅玻璃/石英等材料为对象，创新性地提出采用化学发泡法制备高对称性、高品质因子微半球壳谐振子，并采用自行研制的导电硅通孔基板技术将驱动电极和封装基板进行一体化制造和真空封装，具体研究内容为：（1）微半球壳谐振子的设计和仿真；（2）微半球壳谐振子的结构演变规律和结构对称性精确调控原理；（3）微半球壳谐振子驱动/检测电极制备、真空封装和性能表征研究。本项目的成功实施，将为微定位导航授时所需的高性能陀螺仪，提供一种真空封装的高对称性、高品质因子的微半球壳谐振子。

全球定位系统(GPS)被拒止条件下的高精度微定位导航授时系统，在无人机等多个方面具有重要的应用前景。微定位导航授时技术对低成本、高性能微小型陀螺仪提出了迫切的需求。现有商用MEMS陀螺仪难以满足微定位导航系统对惯性级性能的需求。半球陀螺仪具有高性能、高可靠性的优点，已在航天领域获得成功应用。受到半球陀螺仪应用成功的启发，研究低成本、微小型陀螺仪成为热点之一。以美国为代表，在Darpa等项目的支持下正在发展新一代高性能微半球谐振陀螺。.本项目成功地获得了高对称性、谐振频率为几十kHz微半球壳玻璃谐振子。具体工作包括：对微半球、喷泉状等多样化特征的微壳体谐振子结构进行了仿真设计,获得了不同结构对应的谐振特性；提出了热发泡成型微半球壳谐振子制备、释放和组装的新方法，揭示了微半球壳谐振子的形成规律；提出了用于微半球壳谐振子驱动/检测电极和真空封装的新型玻璃/硅复合基板制备方法；建立了一套用于谐振子性能测量的真空装置，利用激光多普勒测振仪和电测量等手段对微半球壳谐振子进行了表征。对微半球壳谐振子的真空封装进行了研究。研究按计划执行，实现了本项目预期目标，为发展新一代高精度、微型化陀螺提供了新思路和关键技术。此外，在本项目的部分资助下，还基于本项目所获得的热成型玻璃微结构技术，提出了解决新型圆片级碱金属(K、Rb、Cs等)微型气室制备难题新构思，研制了芯片级原子磁力仪，并初步获得了应用验证。相关成果均已标注了本基金项目资助。.在IEEE Transactions等期刊上发表论文8篇，中文期刊论文1篇，在行业顶级会议IEEE ECTC、IEEE MEMS等国际会议上发表论文、并做口头报告10篇（均为EI收录），在IEEE MEMS 2017会议上做大会口头报告，受邀在国际精密工程等会议上做报告，Electronics letters期刊论文被列为特色论文；获得美国发明专利授权1项（授权），中国发明专利3项（2项已授权），申请了多项国防发明专利。项目负责人尚金堂获得首届国防科技卓越科学基金的资助(2017)。