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研究生:蔡炅文
論文名稱:多環諧振式微型陀螺儀之設計與模擬
論文名稱(外文):Design and Simulation of Multi-Rings Micro Vibrating Gyroscope
指導教授:曾繁根曾繁根引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:微型陀螺儀
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陀螺儀在各方面的應用越來越重要,傳統的陀螺儀體積大且軸承易磨耗,而微加工的振動式陀螺儀以振動式的方式感應角速度的變化,因結構簡單沒有磨耗問題操作壽命長且體積小。
本研究中,先以有限元素法模擬三種微型陀螺儀之振動模態,藉此驗證其可行性,設計出 coupled type 與 decoupled type 之微型陀螺儀。後續利用微機電加工技術,藉由陽極接合、蝕刻、微影、非等向性深蝕刻等製程,以製造一以靜電力驅動、電容感測之振動式微型陀螺儀。第一代微型陀螺儀之驅動頻率與感測頻率皆為61kHz,為 coupled type;第二代微型陀螺儀之驅動頻率為 45.68kHz、感測頻率為 45.86 kHz,為decopuled type;第三代微型陀螺儀之驅動頻率與感測頻率皆為 6.7kHz,為coupled type。
The gyrp is getting more and more important in many fields. A traditional gyro has some drawbacks, for examples, it is bulk in volume and wear of bearings is not avoidable. However, the vibratory micro gyro can senses the changes of angular velocity based on conservation of momentum. Due to its structure, the gyro doesn’t have the wearing problem and has long operation time.
This research used finite element analysis to simulate the vibration mode of three kinds of gyro, including two coupled type micro gyros and one decoupled type micro gyro. After the simulation results, these gyros were fabricated by micro-fabrication process, including anodic bonding, lithography, and deep RIE. These gyros are driven by electrostatic force and detected by sensing the changes of capacity. The driving frequency and sensing frequency of first generation micro gyro are both 61 kHz. The driving frequency of second generation micro gyro is 45.68 kHz, with the sensing frequency is 45.86 kHz. The driving frequency and sensing frequency of third generation micro gyro are both 6.7 kHz
中文摘要 i
英文摘要 ii
第一章 序論 1
1.1前言 1
1.2 大型陀螺儀種類 2
1.3 微型陀螺儀文獻回顧 3
1.3.1 Decoupled gyroscope 5
1.3.2 Coupled gyroscope 11
1.4 微型陀螺儀之商機 14
第二章 相對運動與科氏力 16
2.1 相對運動 16
2.1.1 二維轉動座標相對運動 17
2.2 科氏力 19
第三章 元件簡介 22
3.1 微型陀螺儀研製概況 22
3.2 第一代微型陀螺儀簡介 23
3.3 第二代微型陀螺儀簡介 25
3.4 第三代微型陀螺儀簡介 26
3.5 三代微型陀螺儀特徵總整理 30
第四章 有限元素法模擬 31
4.1 有限元素法簡介 31
4.2第一代微型陀螺儀有限元素法模擬 32
4.3 第二代微型陀螺儀有限元素法分析 37
4.3.1 調變圓環寬度之影響 39
4.3.2 調變圓心距離之影響 43
4.3.3 增加質量塊對操作頻率的影響 44
4.3.4 第二代微型陀螺儀模擬數據整理 45
4.4 第三代微型陀螺儀有限元素法分析 48
4.4.1 陀螺儀幾何尺寸 48
4.4.2 模擬結果 49
第五章 製程規劃與製程結果 51
5.1 製程流程簡介 51
5.2 製程結果 53
5.2.1 黃光製程 53
5.2.1.1 軟烤溫度與時間 54
5.2.1.2 曝光劑量 55
5.2.1.3 顯影 56
5.2.1.4 正光阻側壁垂直度 57
5.2.2 HF 濕蝕刻 58
5.2.3 離子耦合電漿深蝕刻 60
第六章 驅動測試 64
6.1 初步測試 64
6.2 靜電力驅動測試 64
第七章 結論 67
第八章 未來工作發展 68
8.1 微型陀螺儀改良方向 68
8.2 微型陀螺儀驅動電子訊號測試 70
附錄 微型陀螺儀解析度公式推導 73
參考文獻 75
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