硅半球深腔结构无损检测技术

半球深腔的加工质量是决定硅基MEMS半球陀螺精度的关键因素之一，及时检测半球深腔的形貌参数并将其反馈至加工过程，是确保高性能MEMS半球陀螺研制成功的重要措施。由于硅半球深腔的深度较大，台阶仪和光学显微成像系统无法对半球深腔的形貌特征进行有效测量。因此,需要将硅深腔结构剖开后采用扫描电镜(SEM)进行检测。这种检测方式时间周期长，且属于破坏性的样本检测，效率和测试精度都较低。提出以硅半球深腔为模具，利用PDMS铸模将硅半球深腔的结构尺寸和表面形貌转移到PDMS凸起的半球模型上，通过检测PDMS半球模型的尺寸结构和表面形貌，即可反推出硅半球深腔的尺寸特征。经实验验证，脱模后的PDMS模型可以准确地反映出半球深腔的尺寸信息，测量结果的不确定度小于5‰，有效解决了硅半球深腔无损检测的难题。     

基于加工误差仿真的半球谐振子优化设计

针对半球谐振陀螺谐振子制造过程中存在的加工误差,采用有限元仿真,分析了半球谐振子结构参数、尺寸公差和形位公差变化对其工作模态频率和临近模态频率的影响,研究了半球谐振子形位公差变化对频率裂解和品质因数的影响。通过仿真分析可知,半球谐振子结构参数壁厚、半球中心半径及内倒角半径都会影响模态频率;半球谐振子形位公差中的内外球心距离误差对其工作模态影响较大,中心轴平行误差对频率裂解和品质因数影响较大;半球谐振子壁厚、内倒角半径、小柱半径及内外球心距离误差变化会使工作模态频率与相邻模态间存在干扰。在此基础上,提出了半球谐振子结构参数及形位公差优化设计建议,并通过半球谐振子品质因数Q值和频率裂解测量对该建议进行了验证。     

微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征

近年来美国国防高级研究计划局大力推进三维壳体谐振陀螺(尤其是高性能半球谐振陀螺)的微型化,以实现惯导级性能的微机械振动陀螺。提出发泡法制备直径小于1cm的微壳体谐振子,利用发泡剂在高温下释放气体,使软化后的玻璃在气压差和表面张力的作用下形成三维轴对称壳体。大气环境下多普勒测振仪的测试结果表明,利用发泡法制备的微壳体谐振子的酒杯二阶模态的谐振频率为11kHz,频率分裂值为72Hz,相对裂解值为0.65%,相应的品质因子Q值约为970和1127。发泡法有望提供一种低成本、高性能微壳体谐振子的制备方法。     

半球谐振陀螺研究现状与发展趋势

半球谐振陀螺是基于哥氏效应测量角速度的新型固态陀螺,具有结构简单、精度高、功耗低、寿命长、可靠性好、抗空间辐射等优点,是捷联惯性导航系统的理想陀螺仪,在宇航领域具有独特的应用优势。半球谐振陀螺的理论精度不受量子尺寸效应限制,是高精度、微型化陀螺的重要发展方向之一。首先介绍了半球谐振陀螺的基本工作原理,其次介绍了半球谐振陀螺的发展历程,综述了半球谐振陀螺的国内外研究现状,最后对半球谐振陀螺的发展趋势进行了展望。     

基于幅频响应特性的半球谐振子频率裂解与固有刚度轴方位角测定方法

半球谐振子频率裂解与固有刚度轴方位角是影响陀螺性能指标的核心因素。提出了一种基于幅频响应特性的半球谐振子频率裂解与固有刚度轴方位角测定方法,采用压电激振台扫频激振,多普勒激光测振仪检测谐振子的幅频响应特性,通过幅频响应特性曲线分析实现频率裂解与固有刚度轴方位角的测定。对该方法进行了理论分析,搭建了实验装置,并对半球谐振子进行了测试,结果表明：该方法频率裂解测量精度优于0.01Hz,固有频率主轴方位角确定精度优于±1.17°,具有良好的可行性,在半球谐振陀螺研制方面具有良好的参考意义。     

半球谐振子疲劳寿命分析与仿真

半球谐振子的寿命和损伤是直接影响高精度半球谐振陀螺使用时长和安全性的重要因素。目前国内加工的半球谐振子所用的熔融石英玻璃材料主要依靠进口,采用传统的疲劳寿命实验确定方法成本过于昂贵,因此需要利用疲劳分析软件对半球谐振子的疲劳寿命进行分析。文章通过半球谐振陀螺应力分析,采用ANSYS软件对熔融石英半球谐振子进行应力分析仿真,确定因残余应力所引起的疲劳危险部位,并在疲劳部位进行裂纹扩展分析,得到 、 和 型应力强度因子,以使在半球谐振子结构设计和使用过程中对易疲劳的部位进行有效监控和预防。     

高精度石英半球裸振子微应力制造

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心元件,其质量直接决定了陀螺的性能精度,以高纯石英材料制成的半球谐振子已得到业界的广泛认可,但加工难度较高。半球裸振子是半球谐振子的未完全加工态,其加工表面残余应力的大小决定了谐振Q值、频差Δf等参数,进而影响谐振性能。文章就石英半球裸振子的微应力制造技术方法和技术特点进行了分析和讨论,以及采用飞秒激光加工设备实现石英半球裸振子微应力制造,飞秒激光加工具有速度快、热变形小、非接触、微应力等优势,用于半球谐振子加工能够明显改善加工效率、成本和表面应力状态,采用飞秒激光加工为高精度石英半球裸振子的加工提供新实现途径。     

微型化半球陀螺制备工艺发展现状及趋势分析

因低噪声、高性能、无磨损的优势,半球陀螺已成为航空、航天领域内的最佳导航陀螺。半球陀螺的微型化是微机电陀螺领域的研究热点,全球各研究单位设计了多种形态的谐振器结构,开发了各具特色的加工工艺,其选用的材质也各不相同,并研制出了形态各异的微半球陀螺结构。对半球陀螺微型化的历程和方式进行了综述,着重对微型化半球陀螺壳体谐振器的结构形态、工艺制备方法和选材进行了对比和分析,并对各微型化途径的特点进行了讨论和展望。     

基于模态反转的半球谐振陀螺零位自校准方法

针对半球谐振陀螺的零位漂移问题,本文研究了基于模态反转电路控制技术的零位自校准方法。首先,从动力学模型引入阻尼不对称、频率裂解等非理想因素,讨论半球谐振陀螺的工作机理及驻波漂移特性。其次,通过理论分析模态反转的零位校准以及虚拟进动控制的模态反转技术。最后,基于FPGA数字控制平台,设计并实现了半球谐振陀螺零位自校准半实物仿真实验。实验结果表明,基于模态反转的半球谐振陀螺零位校准,实现了半球谐振陀螺的零位从15 降低至2 ,短期零偏稳定性和长期稳定性也分别提高了11.8％和45.86％,有效地抑制了零位漂移,提高了半球谐振陀螺测量精度。     

微波等离子推力器真空实验研究

微波等离子推力器(MPT)具有寿命长、效率高和比冲高的特点，具有广泛的应用前景。通过对MPT真空实验系统，以及中(-lkW)、低(-l00W)功率MPT结构的介绍，重点论述了MPT在真空环境下的启动和稳定工作特性，并对实验结果进行了分析和讨论，给出了MPT初步性能参数。实验结果表明，在30W-lkW功率范围内，MPT真空环境下启动可靠，工作稳定；氦气(He)的比冲远高于氩气(Ar)的比冲。