0 绪论 1
0.1 微机电系统与微型制造技术 1
0.2 硅微型惯性器件及微惯性测量组合 3
1 微型惯性器件的物理基础 6
1.1 硅材料的物理性能 6
1.1.1 微型惯性器件对材料的要求 6
1.1.2 硅的晶体结构 6
1.1.3 硅的导电性能 9
1.1.4 硅的机械性能 10
1.2 微型惯性器件的动力学基础 12
1.2.1 哥氏加速度和陀螺力矩 12
1.2.2 动量矩定理及刚体绕定点转动的欧拉动力学方程 16
1.2.3 常用坐标系及坐标系之间的转换 19
1.3 微机械元件的弹性理论基础 22
1.3.1 概述 22
1.3.2 柱形杆的自由扭转 24
1.3.3 薄板弯曲问题 26
2 硅微型加速度计 30
2.1 概述 30
2.2 原理结构 30
2.2.1 扭摆式硅微加速度计 30
2.2.2 悬臂梁式硅微加速度计 37
2.2.3 叉指式硅微型加速度计 39
2.2.4 隧道电流式硅微加速度计 43
2.3.1 摆块的质心偏移引起的误差 46
2.3 误差分析及补偿 46
2.3.2 挠性轴的初始自由角偏移引起的误差 47
2.3.3 非线性误差 48
2.3.4 温度误差及其他 49
2.4 硅微加速度计的测试与定标 50
2.4.1 概述 50
2.4.2 加速度计重力场试验 51
2.4.3 加速度计的其他试验 54
3 硅微型框架驱动式陀螺仪 56
3.1 结构组成和作用原理 56
3.1.1 外框驱动式 56
3.1.2 内框驱动式 57
3.2.1 坐标系及坐标变换 58
3.2 运动方程 58
3.2.2 角速度的表示 59
3.2.3 运动方程 60
3.3 误差分析 65
3.3.1 重心偏移产生的干扰力矩 65
3.3.2 非等弹性力矩引起的漂移误差 67
3.3.3 结构变形和工艺误差引起的干扰力矩 68
3.3.4 运动物体线速度和交叉轴向角速度引起的误差 69
3.3.5 温度引起的误差 69
3.3.6 检测电路噪声引起的测量误差 70
3.4 结构设计 70
3.4.1 挠性轴的设计 70
3.4.2 框架的设计 71
4.1.1 基本原理 75
4.1 音叉式振动陀螺仪 75
4 硅微型梳状驱动陀螺仪 75
4.1.2 运动方程 76
4.1.3 误差分析 77
4.2 静电梳状驱动谐振器 77
4.2.1 静电梳状驱动线振动式谐振器 78
4.2.2 静电梳状驱动角振动式谐振器 81
4.3 硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪 81
4.3.1 平板式梳状线振动驱动式陀螺仪 81
4.3.2 音叉式梳状线振动驱动式陀螺仪 84
4.4 硅微型梳状角振动驱动式陀螺仪 86
4.4.1 整体式VWG 86
4.4.2 隔离式VWG 90
4.5 谐振频率的调节 92
4.6 硅微型振动陀螺仪的计算机辅助分析 93
4.6.1 概述 93
4.6.2 动力学分析 93
4.6.3 静电场分析 98
5 硅微型惯性器件的制备 102
5.1 硅微机械加工技术简介 102
5.1.1 硅微机械加工环境 102
5.1.2 掺杂技术 105
5.1.3 光刻技术 110
5.1.4 腐蚀技术 113
5.1.5 LIGA技术 123
5.1.6 键合技术 125
5.1.7 封装技术 126
5.2 硅微型惯性器件的制备 127
5.2.1 扭摆式硅微加速度计的制备 127
5.2.2 框架驱动式陀螺仪的制备 128
5.2.3 梳状驱动陀螺仪的制备 129
5.2.4 利用LIGA技术制备微电容式加速度计 130
6 硅微型惯性仪表的测控技术 132
6.1 几种微电容测量方法 132
6.1.1 利用闭环运算放大器对微小电容进行测量 132
6.1.2 基于电容充／放电原理的微电容测量 136
6.1.3 采用开关电容Boxcar积分的微电容测量 141
6.2 硅微型惯性仪表的测控回路 150
6.2.1 硅微加速度计的静电力平衡回路 150
6.2.2 框架驱动式陀螺仪的检测控制回路 153
6.2.3 梳状驱动陀螺仪的驱动检测回路 155
6.2.4 低电压的隧道电流加速度计的CMOS接口电路 156
7 硅微型惯性器件的组合及应用 160
7.1 硅微型惯性器件的组合形式 160
7.2 微惯性测量组合单元(MIMU) 163
7.2.1 基本结构组成 163
7.2.2 微机械惯性敏感装置的组合 164
7.2.3 单片集成的微惯性测量单元 168
7.3 硅微型惯性器件的应用 169
7.3.1 应用于汽车工程 169
7.3.2 应用于战术武器的制导系统 172
7.3.3 应用于小型、微型和纳米卫星 175
参考文献 176