针对陀螺高精度小型化需求, 该文设计了一种微半球陀螺结构, 建立微半球陀螺三维有限元模型, 研究了微半球谐振子结构对称性对陀螺性能的影响规律。提出了谐振子圆度及1~4阶质量不对称误差的评价方法, 实现了谐振子制造工艺优化, 优化后的谐振子圆度误差≤2 μm, 在此基础上研制了微半球陀螺样机。结果表明, 封装后陀螺样机的周向品质因数(Q)值分布为(9.024~9.183)×105, 均匀性为±0.87%; 速率模式下, 陀螺量程为±20 (°)/s时, 陀螺零偏不稳定性为0.013 8 (°)/h, 角度随机游走为0.006 8 (°)/h, 展现了高结构对称性微半球陀螺的性能潜力。

提出了一种微半球谐振子分次吹制工艺新方法, 通过增加第二次旋转吹制的方式, 以补偿第一次吹制过程中由于温度场不均匀性造成的谐振子对称度误差。设计了微半球陀螺整体工艺方案,并制作了硼硅酸玻璃材质的微半球谐振子及陀螺样品, 测试结果表明, 分次吹制后的谐振子频差由单次吹制的30~60 Hz降至10 Hz以内。经与力平衡控制电路联调, 陀螺零偏不稳定性为8.2 (°)/h。

微型半球陀螺采用静电激励和电容检测技术实现陀螺的振型控制及信号读取, 电容间隙的装配工艺是陀螺的关键工艺之一。该文对采用平面电极的微型半球陀螺装配工艺进行了探索, 并根据谐振子的结构尺寸计算了装配误差的控制范围, 设计了一种采用精密垫片实现微小间隙的装配方法, 该方法通过垫片的厚度控制电容间隙。对采用此方法装配的陀螺电容间隙进行测量, 并测试了封装后的陀螺性能, 结果表明, 电容间隙可控制在(12±3) μm。在力平衡模式下, 陀螺样机的零偏稳定性达7.3 (°)/h, 量程为±300 (°)/s, 验证了装配方法的可行性。

半球陀螺激光封焊的主要缺陷是匙孔处凝固裂纹。为解决焊缝气密性难题，在运用激光焊接“小孔效应”原理对焊接过程进行理论分析及相关试验验证的基础上，探讨了焊接接头“错边”结构对防止热裂纹的机理，并据此提出了新的焊接结构。研究结果表明，新结构焊缝裂纹受到抑制，气密性得到了显著提高。

由于球面电极是曲面结构, 电极各处的电感耦合等离子体(ICP)刻蚀深度不一致, 在加工过程中常发生球面电极还未刻蚀到位而谐振器已被破坏的现象, 故本文提出了新的球面电极成形工艺。基于ICP刻蚀固有的lag效应, 采用刻蚀窗口宽度由60 μm渐变至10 μm的V形刻蚀掩模调制电极各处的刻蚀速度, 在电极各处获得了基本一致的归一化刻蚀速度(2.3 μm/min)。利用台阶结构拟合球面电极的3D曲面结构, 并保证通刻阶段的硅厚度基本一致为150 μm来消除球面电极加工时最薄处已经刻穿阻挡层并破坏谐振器而最厚处还没有刻蚀到位的现象。结合台阶状的二氧化硅掩模对球面电极各点处的硅ICP刻蚀当量进行了调整, 使其基本相等, 通过一次ICP刻蚀即完成了对硅球面电极的加工。利用提出的方法成功制备出了具有功能性输出的微机电系统(MEMS)半球陀螺的硅球面电极, 其最大半径可达500 μm。