前言
本書介紹了研制一種全新的硅微機(jī)械陀螺的過(guò)程。該陀螺具有設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于敏感旋轉(zhuǎn)載體的偏航或俯仰角速率。例如，用于各種口徑、旋轉(zhuǎn)速率在10～25Hz范圍的火箭彈姿態(tài)控制和高速旋轉(zhuǎn)炮彈的姿態(tài)控制。
（1）從理論上較全面深入地研究了該硅微機(jī)械陀螺的動(dòng)力學(xué)行為，論證了該陀螺的敏感元件結(jié)構(gòu)和封裝結(jié)構(gòu)、微機(jī)械加工和封裝工藝流程，以及電容電壓變換和信號(hào)放大電路，并進(jìn)行了敏感元件和電路的制作，后完成了包含測(cè)試電路的硅微機(jī)械陀螺整體制作和測(cè)試。
（2）應(yīng)用陀螺力學(xué)理論推導(dǎo)給出了該硅微機(jī)械陀螺的數(shù)學(xué)模型，為旋轉(zhuǎn)體用硅機(jī)械陀螺的研制提供了理論依據(jù)。用彈性力學(xué)理論分析求解了硅振動(dòng)元件彈性梁的扭轉(zhuǎn)剛度，用流體動(dòng)力學(xué)理論求解了硅振動(dòng)元件振動(dòng)的阻尼系數(shù)。結(jié)合陀螺敏感元件結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)給出了電橋輸出電壓與擺角的關(guān)系，進(jìn)而求得陀螺的靈敏度。
（3）對(duì)硅振動(dòng)元件所受的靜電力矩進(jìn)行了計(jì)算，得到和彈性力矩相比靜電力很小的結(jié)果。對(duì)陀螺溫度性能進(jìn)行了計(jì)算，得到溫度變化引起該陀螺性能變化主要取決于信號(hào)處理電路的溫度性能的結(jié)論。
（4）在硅腐蝕工藝中，選用腐蝕溫度為104℃的KOH溶液進(jìn)行硅腐蝕，收到了快速腐蝕的良好效果。針對(duì)該陀螺敏感元件結(jié)構(gòu)，在加工硅振動(dòng)元件的工藝中，把整個(gè)加工過(guò)程分為兩個(gè)階段來(lái)進(jìn)行(即４in（10．16 cm）硅片的腐蝕和硅振動(dòng)元件分離單元的腐蝕)，從而簡(jiǎn)化了工藝難度。
（5）設(shè)計(jì)和分析了信號(hào)提取電路，得到在10～25Hz頻率范圍內(nèi)放大倍數(shù)等于47，相位差在5．5～8范圍內(nèi)的信號(hào)處理電路。
（6）對(duì)研制得到的陀螺樣機(jī)進(jìn)行了常溫性能測(cè)試，在旋轉(zhuǎn)載體的旋轉(zhuǎn)速率為12Hz時(shí)，該陀螺的零位漂移在20 min內(nèi)為0．04/s，測(cè)量范圍為275/s，比例系數(shù)為28．16mV/［（）· s-1］，非線性度為2．4%FS。
王宏偉
2021年9月25日