導(dǎo)航定位控制與應(yīng)用

1、導(dǎo)航定位控制與應(yīng)用課程大作業(yè)論文標(biāo)題：微陀螺儀技術(shù)研究綜述撰 寫 人：XXXXX聯(lián)系方式：XXXX院 系：儀器科學(xué)與工程學(xué)院摘 要陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來(lái)測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)快慢的傳感器。根據(jù)原理的不同，人們將陀螺分為機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺、光學(xué)陀螺和微機(jī)械陀螺。微陀螺儀的基本原理是利用柯氏力進(jìn)行能量的傳遞，將諧振器的一種振動(dòng)模式激勵(lì)到另一種振動(dòng)模式，后一種振動(dòng)模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過(guò)測(cè)量振幅實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的測(cè)量。微陀螺與傳統(tǒng)的陀螺相比，它具有體積小、功耗低、成本低、靈敏度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大和集成化等優(yōu)點(diǎn)，可嵌入電子、信息與智能控制系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)體積和成本大幅下降，而且總體性能大

2、幅提升，符合產(chǎn)品信息化發(fā)展方向，因此在民用消費(fèi)領(lǐng)域和現(xiàn)代國(guó)防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)微陀螺儀的技術(shù)研究進(jìn)行綜述，從其研究背景、原理、分類、制作工藝、測(cè)試手段以及應(yīng)用案例進(jìn)行了分析和概括，簡(jiǎn)要介紹了微陀螺儀的特點(diǎn)、性能指標(biāo)和發(fā)展前景，詳細(xì)描述了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及對(duì)幾種應(yīng)用廣泛的微陀螺儀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。包括微振動(dòng)陀螺、流體陀螺、固體微陀螺、微集成光學(xué)式陀螺、懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺和原子陀螺。關(guān)鍵字：微陀螺；研究現(xiàn)狀；性能指標(biāo)；原理；分類；制造流程；應(yīng)用目 錄第一章 微陀螺儀研究背景3一、基本概念與組成.3二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.3三、微陀螺儀的特點(diǎn).5四、基本性能指標(biāo).5五、發(fā)展前景.6第二章 微

3、陀螺儀原理與分類方式8一、基本原理.8二、分類方式.9第三章 各類微陀螺儀簡(jiǎn)介.11一、微振動(dòng)陀螺.11二、流體陀螺.13三、固體微陀螺14四、微集成光學(xué)式陀螺.15五、懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺.16六、原子陀螺.17第四章 微陀螺儀設(shè)計(jì)與制造.18一、設(shè)計(jì)流程與工具.18二、工藝方法18三、制造技術(shù)難點(diǎn).19第五章 微陀螺儀測(cè)試及應(yīng)用20一、測(cè)試內(nèi)容及手段.20二、數(shù)據(jù)分析及方法.20三、應(yīng)用案例.21參考文獻(xiàn).24第一章 微陀螺儀研究背景一、基本概念與組成：微機(jī)械技術(shù)通過(guò)集成電路的平面工藝和其他一些特殊工藝，如各向異性腐蝕技術(shù)、犧牲層技術(shù)、鍵合技術(shù)等，在硅片、玻璃等材料上制作尺度在微米級(jí)到毫米級(jí)的

4、微裂機(jī)電集成的傳感器、執(zhí)行器或微系統(tǒng)。從20世紀(jì)80年代后期開始，隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了將微機(jī)械與微電子集成的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)不僅集成了電路，還集成了機(jī)械部件，在微米量級(jí)內(nèi)設(shè)計(jì)和制造微傳感器、微執(zhí)行器，促使了微型器件的研發(fā)，其中微陀螺儀就是一種受到世界各國(guó)廣泛關(guān)注的微型慣性傳感器。陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來(lái)測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)快慢的傳感器。陀螺是慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)中的核心器件，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和國(guó)防軍事領(lǐng)域。根據(jù)原理的不同，人們將陀螺分為機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺、光學(xué)陀螺和微機(jī)械陀螺。微機(jī)械陀螺與傳統(tǒng)的陀螺相比，它具有體積小、功耗低、成本低、靈敏度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)、動(dòng)

5、態(tài)范圍大和集成化等優(yōu)點(diǎn)，可嵌入電子、信息與智能控制系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)體積和成本大幅下降，而且總體性能大幅提升，符合產(chǎn)品信息化發(fā)展方向，因此在民用消費(fèi)領(lǐng)域和現(xiàn)代國(guó)防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：國(guó)外從事微陀螺儀的研制和生產(chǎn)起步較早，工藝基礎(chǔ)雄厚，已有商業(yè)化產(chǎn)品，抗沖擊能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，精度高，不斷有創(chuàng)新成果。20世紀(jì)80年代以來(lái)，Draper(德雷珀)實(shí)驗(yàn)室（美）、JPL公司（美）、LITTON（利頓）公司（美）、LITEF 公司（德）、SAGEM 公司（法）、AD 公司（美）、Vector 公司(俄)等相繼開展微硅陀螺、微硅加速度計(jì)等微型慣性儀表的研究，有的已形成產(chǎn)品，進(jìn)而進(jìn)行微型

6、慣性測(cè)量組合的研究。美國(guó)國(guó)防部將 MEMS 技術(shù)列為國(guó)防部的關(guān)鍵技術(shù)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助開發(fā)軍用MEMS的經(jīng)費(fèi)每年達(dá)5000萬(wàn)美元以上。德雷珀實(shí)驗(yàn)室從1989年開始研制微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀，已封裝實(shí)驗(yàn)了 200 個(gè)不同型號(hào)的微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀，經(jīng)受了加速度為 8000g 的沖擊和離心試驗(yàn)。在 1991 年研制出一種微型慣性測(cè)量組合，其體積為2 cm×2 cm×0.5 cm，質(zhì)量為5 g。它僅比普通慣導(dǎo)體積的萬(wàn)分之一多一點(diǎn)，其中陀螺儀的漂移為10 (°) /h。這一系統(tǒng)包括三個(gè)陀螺儀和三個(gè)加速度計(jì)，以及相應(yīng)的執(zhí)行元件，在一塊25.8 cm2的硅片上便

7、可制造出4 000個(gè)這樣的微型慣性測(cè)量裝置。BEI 電子公司 Systron Donner 慣性分公司已采用 MEMS 技術(shù)，批量生產(chǎn)出單軸、三軸固態(tài)石英壓電陀螺，其生產(chǎn)速度超過(guò)每月800只，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上已可買到，可用于高檔汽車、導(dǎo)航、飛機(jī)、航天等領(lǐng)域。日本在1989年成立了微機(jī)械研究會(huì)， 1992年日本正式啟動(dòng)一項(xiàng)為期10年、耗資1.9億美元的“微機(jī)械研究計(jì)劃”，著重發(fā)展 6 個(gè)方面的技術(shù)：延伸微納米技術(shù)、微裝置技術(shù)、器件高度集成技術(shù)、場(chǎng)能利用技術(shù)、多分布與協(xié)同管理技術(shù)和智能材料利用技術(shù)。據(jù)報(bào)導(dǎo)，日本住友精密工業(yè)公司和英國(guó)航天公司已合作研制成功一種硅微機(jī)械壓電陀螺儀CRS系列振動(dòng)陀螺儀。

8、ADI公司的ADXRS nnn（nnn表示滿量程的每秒度數(shù)）系列微機(jī)械陀螺采用表面工藝制造， ADXRS150和ADXRS300陀螺結(jié)構(gòu)為4m厚多晶硅，靈敏度為12.5mV/（º/s），工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)抗沖擊分別為2500g和33000g，外形為7mm方形，高度為3mm，功耗也只有25mW，具有完全電路集成、低功耗、抗振動(dòng)和沖擊等優(yōu)點(diǎn)，代表了陀螺技術(shù)的飛躍1。德國(guó)Bosch公司最先將磁驅(qū)動(dòng)引入微機(jī)械陀螺，利用電容檢測(cè)，其靈敏度為18mV/（º/s），量程為100º/s，工作溫度范圍-4085ºC；芬蘭赫爾辛基科技大學(xué)研究了一種工藝簡(jiǎn)單的微機(jī)械電容檢測(cè)

9、框架式振動(dòng)陀螺，實(shí)現(xiàn)了噪聲0.042º/sHz，信噪比51.6dB2；最新研究方面，美國(guó)加州大學(xué)微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研制了一種新穎的嵌套式質(zhì)量塊框架結(jié)構(gòu)陀螺，它采用靜電驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)，靈敏度為0.690mV/（°/s）3，部分研究成果如圖1.2.1所示。圖1.2.1 國(guó)外微機(jī)械陀螺研究成果我國(guó)微機(jī)械的研究始于1989年，現(xiàn)已研制出數(shù)百微米大小的靜電電機(jī)和直徑為3 mm的壓電電機(jī)。清華大學(xué)導(dǎo)航與控制教研組的陀螺技術(shù)十分成熟，已發(fā)展了高精度靜電陀螺的成熟技術(shù)，姿態(tài)漂移僅為每小時(shí)萬(wàn)分之五，并已掌握微機(jī)械與光波導(dǎo)陀螺技術(shù)。東南大學(xué)精密儀器及機(jī)械系科學(xué)研究中心也不斷進(jìn)行關(guān)鍵部件、微機(jī)械陀螺儀

10、和新型慣性裝置與GPS組合系統(tǒng)的開發(fā)研究，滿足廣闊的軍民兩用市場(chǎng)的需要。從1995年末開始，國(guó)防科工委便投入6000萬(wàn)元以上的經(jīng)費(fèi)主要用于慣性器件的基礎(chǔ)性研究，并且硅微機(jī)械陀螺技術(shù)已納入863計(jì)劃中。由上可知，我國(guó)的MEMS 技術(shù)研究工作雖然起步較晚，但正積極開展研究，國(guó)家已經(jīng)投入巨資用于MEMS陀螺技術(shù)的研究。目前主要的科研單位有清華、北大、中科院上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、哈工大、東南大學(xué)等多家單位，經(jīng)過(guò)十多年的努力，在基礎(chǔ)理論、加工技術(shù)和工程應(yīng)用等方面的研究已取得了明顯的進(jìn)步。但不可否認(rèn)，與國(guó)外差距仍然較大，高性能微機(jī)械陀螺少有商業(yè)化產(chǎn)品。中電13所、中電26所等研究單位已有可用產(chǎn)品，中電1

11、3所用硅制作，電容檢測(cè)方式，中電26所用石英制作，壓電檢測(cè)方式，漂移為10°/h左右。在研究方面，復(fù)旦大學(xué)采用壓阻效應(yīng)的陀螺電橋輸出值為0.22V/°/s；下面均采用電容效應(yīng)，清華大學(xué)研制的陀螺靈敏度為1.9mV/°/s4；中科院上海微系統(tǒng)所的陀螺靈敏度和非線性度分別為9.8mV/°/s和0.43%，北大研制的陀螺靈敏度達(dá)到22mv/°/s，非線性度為2.19%，哈工大的陀螺靈敏度為8.031mV/°/s5，部分研究成果如圖1.2.2所示。圖1.2.2 國(guó)內(nèi)微機(jī)械陀部分研究成果三、微陀螺儀的特點(diǎn)：MEMS陀螺儀是利用 coriolis

12、 定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成和角速度成正比的直流電壓信號(hào)，其核心部件通過(guò)摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的。它主要特點(diǎn)是： 體積小、重量輕、功耗低； 成本低，加工工藝可保證大規(guī)模生產(chǎn)； 可靠性好，工作壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬(wàn)g的沖擊； 測(cè)量范圍大，一些MEMS陀螺儀測(cè)量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s。但是，目前各種微機(jī)械陀螺的角速度測(cè)量精度相對(duì)較低，漂移較大、穩(wěn)定性較差。不同種類陀螺漂移率比較如圖1.3.1所示6。圖1.3.1 不同種類陀螺漂移性能比較四、基本性能指標(biāo)：分析和評(píng)價(jià)陀螺的性能需要制定一系列的衡量準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則為我們應(yīng)用陀螺提供了參考

13、依據(jù)。總體而言，微陀螺有以下幾個(gè)主要的性能指標(biāo)：圖1.4.1 微機(jī)械陀螺性能指標(biāo)隨機(jī)漂移由隨機(jī)的或不確定的有害力矩引起的漂移率。測(cè)量范圍陀螺儀的量程。閾 值陀螺儀能敏感的最小輸入角速率。分 辨 率陀螺儀在規(guī)定的輸入角速率下，能敏感的最小輸入角速率增量，至少應(yīng)等于按標(biāo)度因數(shù)所期望輸出增量的50。標(biāo)度因數(shù)陀螺儀輸出量和輸入角速率的比值。標(biāo)度因數(shù)非線性度在輸入角速率范圍內(nèi)，陀螺儀輸出量相對(duì)于最小二乘法擬合直線的最大的偏差和最大輸出量之比。在上述的性能指標(biāo)中，刻度因子、分辨率、零偏及零偏穩(wěn)定性和輸出噪聲（通常用隨機(jī)游走表示）是確定陀螺性能的重要參數(shù)。五、發(fā)展前景：陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)

14、技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。自1910年首次用于船載指北陀螺羅經(jīng)以來(lái)，陀螺已有近100年的發(fā)展史，發(fā)展過(guò)程大致分為4個(gè)階段:第一階段是滾珠軸承支承陀螺馬達(dá)和框架的陀螺；第二階段是20世紀(jì)40年代末到50年代初發(fā)展起來(lái)的液浮和氣浮陀螺；第三階段是20世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來(lái)的干式動(dòng)力撓性支承的轉(zhuǎn)子陀螺；目前陀螺的發(fā)展已進(jìn)入第四個(gè)階段，即靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和振動(dòng)陀螺7。微陀螺是二十世紀(jì)八十年代初發(fā)展起來(lái)的軍民兩用高新技術(shù)，與傳統(tǒng)的陀螺相比，它具有體積小、功耗低、成本低、抗過(guò)載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大、可集成化等優(yōu)點(diǎn)，可嵌入電子、信息與智能控制系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)體積和成本大幅

15、下降，而且總體性能大幅提升，因此在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在陀螺儀的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)防軍事應(yīng)用中，高精度微機(jī)械陀螺將可用于導(dǎo)彈、航空航天、超音速飛行器等高精度需求的軍用產(chǎn)品中8。微陀螺目前精度在10-2 °/h左右，還將進(jìn)一步提高到10-3 °/h。隨著先進(jìn)的微電子技術(shù)的發(fā)展，成本和價(jià)格也會(huì)大幅下降，預(yù)計(jì)微機(jī)械陀螺的價(jià)格將會(huì)在一美元到幾百美元之間。其低廉的價(jià)格將使其在民用消費(fèi)領(lǐng)域也將具有廣闊的應(yīng)用前景，有望在一些新的領(lǐng)域中，如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、照相機(jī)甚至是機(jī)器人玩具等中低端上應(yīng)用需求的產(chǎn)品中得到應(yīng)用?，F(xiàn)代工業(yè)控制、航空航天、軍用技術(shù)不

16、可能離開慣性傳感器；汽車，消費(fèi)品和娛樂(lè)市場(chǎng)也開始依賴這些設(shè)備。許多市場(chǎng)調(diào)查包括SRI，NEXUS，System Planning公司，SEMI等一致認(rèn)為微機(jī)械慣性傳感器市場(chǎng)將每年以15%25%的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2003年將超過(guò)10億美元的產(chǎn)業(yè)。微機(jī)械使用現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)來(lái)鑄造機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得成本、尺寸、功耗、環(huán)境生存能力、工作壽命與傳統(tǒng)技術(shù)相比有量級(jí)上的提高。如同半導(dǎo)體取代真空管，微機(jī)械傳感器正逐步替代傳統(tǒng)慣性傳感器。目前，低性能傳感器市場(chǎng)已經(jīng)由硅微機(jī)械占據(jù)。微機(jī)械陀螺的性能在很短的幾十年內(nèi)得到了迅速的提高，目前正由速率級(jí)向戰(zhàn)術(shù)級(jí)精度邁進(jìn)。從1991年起，根據(jù)隨機(jī)游走系數(shù)定義的陀螺性能指標(biāo)，體

17、工藝微機(jī)械和表面工藝微機(jī)械陀螺的性能在每2年便以10倍的速度得到提高。生產(chǎn)成本、性能和可靠性是微機(jī)械陀螺商業(yè)化的關(guān)鍵因素。將產(chǎn)品成本降低到大規(guī)模汽車市場(chǎng)可接受的水平，需要精密微機(jī)械、高度真空封裝、高性能接口電路和電子調(diào)諧技術(shù)。另外，在一個(gè)芯片上組合多軸微機(jī)械傳感器是微機(jī)械慣性傳感器的重要發(fā)展方向。根據(jù)以上所述，高精度、低成本、微型化、低功耗、多軸向高穩(wěn)定性依然是微機(jī)械陀螺的技術(shù)追求，隨著多傳感器系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，兼有陀螺儀功能的智能集成傳感器系統(tǒng)將是MEMS陀螺的重要發(fā)展方向9。第二章 微陀螺儀原理與分類方式一、基本原理：微陀螺儀的基本原理是利用柯氏力進(jìn)行能量的傳遞，將諧振器的一種振動(dòng)模式激

18、勵(lì)到另一種振動(dòng)模式，后一種振動(dòng)模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過(guò)測(cè)量振幅實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的測(cè)量。只有當(dāng)線速度與轉(zhuǎn)速同時(shí)柯氏加速度存在時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，因此為測(cè)量柯氏加速度需使加速度傳感器跟隨物體旋轉(zhuǎn)的同時(shí)運(yùn)動(dòng)起來(lái)。實(shí)現(xiàn)的最簡(jiǎn)單方法就是諧振，即施加激勵(lì)使加速度傳感器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于柯氏力正比于驅(qū)動(dòng)諧振的運(yùn)動(dòng)頻率，因此希望諧振頻率和振幅越大越好?？率闲?yīng)即coriolis效應(yīng)，最早用來(lái)表述由于地球自轉(zhuǎn)引起的物體運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏折的自然現(xiàn)象，如：大氣渦旋方向，河流兩岸沖刷程度不同等。在微機(jī)械陀螺基本原理中本質(zhì)相同，但旋轉(zhuǎn)體不再是地球而是陀螺儀本身?？率霞铀俣仁莿?dòng)參系的轉(zhuǎn)動(dòng)與動(dòng)點(diǎn)相對(duì)動(dòng)參系運(yùn)動(dòng)相互耦合引起的

19、加速度。柯氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相對(duì)速度矢量所在的平面。判斷方法按照右手旋進(jìn)規(guī)則進(jìn)行判斷，如圖2.1.1所示：圖2.1.1 柯氏加速度方向判定假如質(zhì)點(diǎn)以非常快的速度沿轉(zhuǎn)盤徑向做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，那么可以利用右手旋進(jìn)準(zhǔn)則判斷出，質(zhì)點(diǎn)在轉(zhuǎn)盤上不停地沿垂直于簡(jiǎn)諧振動(dòng)方向和轉(zhuǎn)盤角速度兩方向垂直的第三方向振動(dòng)，利用這一原理就可制作出微機(jī)械陀螺。一種電磁驅(qū)動(dòng)式，如圖2.1.2右圖所示。將陀螺結(jié)構(gòu)放入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線通以正弦電流信號(hào)時(shí)，質(zhì)量塊將沿X軸方向簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而此時(shí)若有沿Y軸方向的角速度輸入時(shí)，根據(jù)柯氏效應(yīng)，陀螺質(zhì)量塊將在Z軸方向是產(chǎn)生振動(dòng)，這樣就可以通過(guò)檢測(cè)懸臂梁基部的RTD阻值和角速度和其阻值

20、之間的關(guān)系解算出相應(yīng)的角速度值，實(shí)現(xiàn)角速度的測(cè)量。圖2.1.2 傅科擺與微機(jī)械陀螺關(guān)系二、分類方式：微機(jī)構(gòu)陀螺可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行劃分：振動(dòng)結(jié)構(gòu)，材料，加工方式，驅(qū)動(dòng)方式，檢測(cè)方式和工作模式。（1）按振動(dòng)結(jié)構(gòu)可將微機(jī)械陀螺劃分成線振動(dòng)結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)；在線振動(dòng)結(jié)構(gòu)里又可劃分成正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)和非正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)。正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)指振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)相互垂直，在正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)里有振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)，振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)，加速度計(jì)振動(dòng)陀螺等；而非正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)主要指振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)共面且相差 45°的振動(dòng)結(jié)構(gòu)，如薄壁半球共振陀螺，以及在其基礎(chǔ)上發(fā)展形成的共振環(huán)結(jié)構(gòu)陀螺和共振圓柱結(jié)構(gòu)陀螺。在

21、旋轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)中有振動(dòng)盤結(jié)構(gòu)陀螺和旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)陀螺等，這種類型陀螺多屬于表面微機(jī)械雙軸速率陀螺。（2）按材料可將微機(jī)械陀螺劃分為硅材料陀螺和非硅材料陀螺；在硅材料陀螺中又可分成單晶硅陀螺和多晶硅陀螺；在非硅材料陀螺中又包括石英材料陀螺和其它材料陀螺。（3）按驅(qū)動(dòng)方式可將微機(jī)械陀螺劃分成靜電式驅(qū)動(dòng)、電磁式驅(qū)動(dòng)和壓電式驅(qū)動(dòng)等。（4）按檢測(cè)方式可將微機(jī)械陀螺劃分成電容性檢測(cè)、壓阻性檢測(cè)、壓電性檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)和隧道效應(yīng)檢測(cè)等。（5）按工作模式可將微機(jī)械陀螺劃分成速率陀螺和速率積分陀螺。速率陀螺包括開環(huán)模式和閉環(huán)模式（力再平衡反饋控制）；速率積分陀螺則指整角模式。一般非正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)中的陀螺多可在整角模式下

22、工作，而其它類型的大部分陀螺均屬于速率陀螺。（6）按加工方式可以將微機(jī)械陀螺劃分成體微機(jī)械加工、表面微機(jī)械加工、LIGA等，上述對(duì)微機(jī)械陀螺的分類歸納起來(lái)如圖2.2.1所示。圖2.2.1 微機(jī)械陀螺分類第三章 各類微陀螺儀簡(jiǎn)介一、微振動(dòng)陀螺：振動(dòng)陀螺主要利用哥氏力的作用原理, 把輸入角速度量轉(zhuǎn)換為一種位移, 然后通過(guò)電容或壓電等方式將其檢測(cè)出來(lái)。此類微陀螺根據(jù)結(jié)構(gòu)或者輸入原理不同, 可以分為框架式、音叉式和振動(dòng)環(huán)式等?？蚣苁秸駝?dòng)微陀螺是最早的非轉(zhuǎn)子式微機(jī)械陀螺, 由美國(guó)Draper 實(shí)驗(yàn)室最先提出。如圖3.1 ( a)所示。它采用內(nèi)、外環(huán)框架結(jié)構(gòu), 理想條件下, 外框架的驅(qū)動(dòng)頻率等于內(nèi)框架的諧

23、振頻率。在真空環(huán)境下, 該陀螺的品質(zhì)因數(shù)可達(dá) 2000, 預(yù)期漂移不定性優(yōu)于10/ h, 適用于短時(shí)間導(dǎo)航。1993年5月Draper實(shí)驗(yàn)室又成功研制出第一臺(tái)音叉式線振動(dòng)陀螺儀（TFG）。如圖3.1 ( b) 所示，它采用單晶硅梳狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜電力驅(qū)動(dòng)音叉, 該陀螺已經(jīng)可以達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)的要求。美國(guó) Northrop 公司也于1994 年研制了一種結(jié)構(gòu)類似的音叉式微陀螺。該微陀螺已被Ho neywell 公司用于生產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)。2005 年，JH Yoo 等人10報(bào)道了一種基于鐵鎵合金 ( Galfenol) 磁致伸縮材料的振動(dòng)音叉式陀螺儀，如圖3.1.2所示，整個(gè)尺寸為 12 mm X3 mmX 2

24、2 mm，音叉敏感叉指的響應(yīng)速度為36 mm/ s。圖 3.1 Draper 提出的振動(dòng)式微陀螺儀圖3.1.2 Galf enol音叉陀螺儀原理機(jī)及整機(jī)由于在實(shí)際過(guò)程中出現(xiàn)了不必要的交叉耦合信號(hào), 之后一些研究集中在提高抵抗交叉耦合的魯棒性上。美國(guó)的密西根大學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于振動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)的微陀螺，如圖 3.1.3( a) 所示, 其擁有同樣共振頻率下的兩種典型振動(dòng)模態(tài), 避免了不必要的多軸耦合, 偏移穩(wěn)定性能達(dá)到10 / s。德國(guó)的微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 ( HSGIMIT ) 基于解耦原理研究成功解耦角速度檢測(cè)器，如圖3.1.3 (b) 所示，這種微陀螺的偏移穩(wěn)定性達(dá)到 65/ h。2005年,

25、 加州大學(xué)歐文分校設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的結(jié)構(gòu)，給質(zhì)量塊提供了兩自由度的振動(dòng)電容, 并且把驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電極的自由度都限制在一個(gè)自由度, 提高了系統(tǒng)的解耦程度, 如圖3.1.3(c) 所示。該設(shè)計(jì)提高了陀螺的魯棒性, 卻犧牲了系統(tǒng)的靈敏度。2006年, 土耳其的中東技術(shù)大學(xué)開發(fā)了一種具有相同驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)的對(duì)稱設(shè)計(jì)懸臂梁，如圖3.1.3(d) 所示。這種陀螺的偏移穩(wěn)定性能達(dá)到7/ s。Invensense公司生產(chǎn)的IDG- 600 是一個(gè)雙軸的微振動(dòng)陀螺儀，采用了新型的納西里 ( N asiri) 封裝技術(shù), 現(xiàn)在已經(jīng)批量生產(chǎn), 用于運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)傳感。但是由于科氏力很弱, 機(jī)械布朗噪聲和電白噪聲限制了器件的精

26、度, 傳統(tǒng)的振動(dòng)式陀螺在性能上尚未取得根本的突破：其零漂多數(shù)在每小時(shí)幾百到幾十度, 極少數(shù)為戰(zhàn)術(shù)級(jí), 雖有接近于 1/ h 的報(bào)道, 但實(shí)現(xiàn)高精度達(dá)到慣性級(jí)相當(dāng)困難。圖3.1.3 基于解耦原理的各種微振動(dòng)式陀螺二、流體陀螺：與傳統(tǒng)陀螺儀相比, 流體類陀螺儀由于沒(méi)有懸掛質(zhì)量塊, 結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化, 制作難度降低, 更重要的是省去了復(fù)雜的活動(dòng)部件, 其抗沖擊、抗振動(dòng)能力大大提高, 特別適合高沖擊、高振動(dòng)環(huán)境下使用。射流氣體陀螺是利用強(qiáng)迫對(duì)流氣體的氣流束和敏感元件的熱阻效應(yīng)來(lái)測(cè)量角速率的。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)活動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量, 抗過(guò)載能力強(qiáng), 成本低, 壽命長(zhǎng)。日本立命館大學(xué)研制了一種能測(cè)量雙輸入軸角速度的氣體微

27、陀螺11。分辨率可達(dá)0 05 / s, 如圖 3.2.1 ( a)所示。射流陀螺可用于導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船、工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域, 是測(cè)量和控制角速度、角加速度和角度等角參數(shù)的關(guān)鍵部件, 也是末制導(dǎo)炮彈和機(jī)器人姿態(tài)控制不可缺少的慣性器件。圖3.2.1 流體陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖ECF ( elect ro conjug ate f luid) 流體是一種新型的流體材料, 當(dāng)在流體兩端的電極上加上幾千伏的電壓時(shí), ECF 流體可以產(chǎn)生很強(qiáng)的流動(dòng)。2009年, 東京工業(yè)大學(xué)利用ECF 流體的這種特性制作可基于ECF 的流體陀螺，如圖3.2.1 (b) 所示, 其精度較傳統(tǒng)的流體陀螺提高了兩倍。但是

28、ECF 流體陀螺所用的高電壓卻可能限制它的應(yīng)用場(chǎng)合, 設(shè)法尋找新的ECF 材料或采取其他途徑來(lái)降低所用的電壓值是ECF 流體陀螺擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合的關(guān)鍵。超流體陀螺利用超流體的玻色愛因斯坦凝聚和量子化渦流特性進(jìn)行工作。基于低阻特性的超流體陀螺工作時(shí), 超流體黏滯系數(shù)很低, 流體間以及流體對(duì)周圍運(yùn)動(dòng)的阻尼很小, 當(dāng)承載容器與其發(fā)生切向運(yùn)動(dòng)時(shí), 超流體不會(huì)像通常的流體一樣由于液體的黏性力發(fā)生隨動(dòng), 而是保持原來(lái)的狀態(tài)。這樣超流體與承載容器間就出現(xiàn)了相對(duì)流動(dòng), 檢測(cè)這個(gè)運(yùn)動(dòng)速度或它的某種放大量就可以獲得轉(zhuǎn)動(dòng)速度的信息。利用量子化渦流, 根據(jù)超流體的進(jìn)動(dòng)也可以敏感外界角速度。利用超流體效應(yīng)檢測(cè)角速度, 在原

29、理上具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)陀螺的性能潛力, 美國(guó)科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明, 超流體慣性測(cè)量裝置測(cè)量地球自轉(zhuǎn)時(shí), 精確度達(dá)到99.5%。超流體陀螺適用于各類需要高精度陀螺的場(chǎng)合。不過(guò)由于該方向的研究剛剛展開, 不成熟的環(huán)節(jié)較多, 如何將其與MEMS 等微小型化技術(shù)相結(jié)合, 開發(fā)高精度、低成本和小尺寸等優(yōu)良性能, 還有待進(jìn)一步研究。三、固體微陀螺：聲表面波陀螺 (SAW) 的研究從 20 世紀(jì) 70年代開始, 結(jié)構(gòu)幾經(jīng)變革, 并于 90 年代出現(xiàn)了一種叉指換能器 ( IDT ) 的聲表面波微陀螺。對(duì) IDT聲表面波微陀螺的研究還處于起步階段, 面臨的主要問(wèn)題是 IDT 聲表面波傳感器的輸出電壓太低,而機(jī)電耦合

30、系數(shù)大的壓電單晶材料的溫度穩(wěn)定性都較差, 但添加恒溫裝置又將極大地限制這種器件的應(yīng)用, 因而這種陀螺器件要實(shí)際應(yīng)用還有很多困難需要克服。2006 年, 日本Hyogo大學(xué)報(bào)道了一種新型的壓電振動(dòng)固態(tài)微陀螺, 其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單, 僅由一個(gè)帶電極的鋯鈦酸鉛 ( PZT) 長(zhǎng)方體構(gòu)成。它利用PZT的逆壓電效應(yīng)激振, 以第29 階縱向諧振模態(tài)作為參考線振動(dòng), 利用壓電效應(yīng)檢出角速率信號(hào), 其原理圖如圖3.3.1所示。2009 年, 上海交通大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先開展了該新型固態(tài)陀螺的研究, 通過(guò)結(jié)構(gòu)和電路改進(jìn), 以降低模態(tài)頻率, 增加Q 值, 如圖3.3.2所示。圖3.3.1 PZT 壓電固態(tài)微陀螺原理圖3.3.

31、2 上海交通大學(xué)的集中質(zhì)量 PZT 壓電微陀螺2006 年, 美國(guó)佐治亞理工學(xué)院提出利用體聲波 ( BAW) 制造陀螺儀。體聲波是一種微波超聲, 可借助電、磁、光、熱、超導(dǎo)隧道結(jié)等多種方法來(lái)產(chǎn)生體聲波, 常用的方法是壓電激勵(lì), 即在壓電單晶薄片或壓電薄膜上施加交變場(chǎng), 激發(fā)沿厚度方向的基頻或諧頻共振, 從而獲得高頻體聲波。2010 年, 佐治亞理工學(xué)院報(bào)出了厚度只有 60 m的 BAW 陀螺儀, 測(cè)試可達(dá)到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍為500 / s, 如圖3.3.3所示。2008 年, Q ualt re 公司取得這些技術(shù)的獨(dú)家專利授權(quán), 首先推出一款三軸動(dòng)作傳感器QGYR300, 它是由制造在同一芯片上

32、的3 個(gè) BAW 單軸陀螺 儀集成的。接著推出QIMU600, 包括制造在同一芯片上的3個(gè)BAW陀螺儀和1個(gè)三軸加速度計(jì)。圖3.3.3 體聲波陀螺結(jié)構(gòu)示意圖四、微集成光學(xué)式陀螺：微光機(jī)電陀螺 ( MOEMS 陀螺) 是以 Sagnac效應(yīng)光學(xué)陀螺原理和光學(xué)檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ), 綜合利用微機(jī)械制造技術(shù)和集成光學(xué)技術(shù)的一類新型微陀螺。MOEMS 陀螺儀分為諧振式和干涉式兩種。諧振式 MOEMS 陀螺通常主要采用在硅片上制造光波導(dǎo)諧振器的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。國(guó)外對(duì)諧振式MOEMS 陀螺已經(jīng)研發(fā)了 20 余年。其中, 美國(guó)Northrop 公司于1991 年研制出零偏為 10/ h 的微型光學(xué)陀螺儀 ( MOG)

33、。2000 年, 美國(guó)Ho neyw ell 公司聯(lián)合明尼蘇達(dá)大學(xué)制造了一個(gè)指標(biāo)優(yōu)秀的諧振式 MOEMS 陀螺, 其漂移穩(wěn)定性理論上可以達(dá)到0.1 / h。干涉式 MOEMS 陀螺則主要采用硅片上制造光波導(dǎo)或微鏡陣列等技術(shù)替代光纖線圈, 一般采用增加面積和增加光纖長(zhǎng)度的辦法增強(qiáng)Sagnac效應(yīng),但MOEMS 陀螺受限于空間尺寸的微小, 如何在有限的空間內(nèi)延長(zhǎng)光路長(zhǎng)度、增強(qiáng) Sagnac 效應(yīng)就顯得尤為重要和突出。美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)制造的陀螺, 在直徑 6.5 cm 的大小預(yù)計(jì)測(cè)量精度可達(dá)0.001 / h。與其他MEMS 陀螺相比, 微光機(jī)電陀螺無(wú)運(yùn)動(dòng)部件, 靈敏度高, 不需真空封裝, 且動(dòng)態(tài)響

34、應(yīng)范圍大, 抗電磁干擾能力強(qiáng), 可在一些惡劣環(huán)境下使用。目前國(guó)際上微光機(jī)電陀螺技術(shù)的研究多處于起步或初級(jí)階段, 還有許多難題需要攻克。不過(guò), 隨著集成光學(xué)、光電子、新材料以及微加工等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步, 可以預(yù)見, 微型光學(xué)陀螺必將在微陀螺領(lǐng)域中占據(jù)一席之地。五、懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺：懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺可分為磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺和靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺, 前者主要分為電磁吸力懸浮、抗磁懸浮和電磁斥力懸浮三種, 后者可分為靜電吸力和靜電斥力懸浮。其中, 目前研究較為深入、較為成功的是電磁斥力懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺和靜電吸力懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺。兩者都是通過(guò)使懸浮于平衡位置的轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn), 獲得恒定角動(dòng)量并產(chǎn)生陀螺效應(yīng),借助力

35、矩再平衡回路來(lái)測(cè)量雙輸入軸角速度的。5.1 電磁懸浮式轉(zhuǎn)子微陀螺：磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺是英國(guó)Sheff ield 大學(xué)于20 世紀(jì)90 年代中后期提出并對(duì)其進(jìn)行研究的。上海交通大學(xué)于2006 年提出了一種將懸浮、穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)三種線圈分開的、可進(jìn)行閉環(huán)控制的磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺。真空時(shí), 它能夠獲得約 5 000 r/ min的轉(zhuǎn)速和約 3 / s 的漂移穩(wěn)定性。2007 年, 上海交通大學(xué)又提出了一個(gè)新穎的抗磁懸浮微陀螺，如圖3.5.1所示, 其在空氣中轉(zhuǎn)速可以達(dá)到10 r/ min。圖3.5.1 上海交通大學(xué)研制的抗磁懸浮微陀螺實(shí)際應(yīng)用中, 電磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的電磁阻尼和渦流生熱問(wèn)題成為了該研究的瓶頸

36、。電磁阻尼是限制轉(zhuǎn)子進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速的最突出因素。渦流生熱使得器件的功耗較高, 難以符合微系統(tǒng)集成的要求。另外磁懸浮微陀螺的側(cè)向剛度低, 限制了轉(zhuǎn)子懸浮和旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。5.2 靜電懸浮式轉(zhuǎn)子微陀螺：靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺工作時(shí), 陀螺微轉(zhuǎn)子維持懸浮在殼體的零位平衡位置并高速旋轉(zhuǎn), 產(chǎn)生陀螺效應(yīng), 然后即可借助力矩再平衡原理來(lái)測(cè)量雙輸入軸角速度。球轉(zhuǎn)子靜電陀螺儀是目前精度最高的一種陀螺儀。美國(guó)斯坦福大學(xué)為驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論,于2004 年 4 月發(fā)射的引力探測(cè)器 B ( GravityProbe B) , 就使用了4個(gè)目前世界上精度最高的靜電懸浮超導(dǎo)陀螺儀12。該陀螺儀在失重和低溫狀態(tài)下的隨機(jī)漂移

37、率優(yōu)于10- 11/ h。日本To kimec公司在 2001 年研制出盤形轉(zhuǎn)子微陀螺, 2002 年又研制出了環(huán)形轉(zhuǎn)子的微陀螺。與先前盤形轉(zhuǎn)子相比, 環(huán)形轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)不僅有效增加了徑向剛度和靈敏度, 而且使微陀螺在轉(zhuǎn)子重量一定的情況下, 獲得較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2005 年, T okimec公司進(jìn)一步提升了該微陀螺的性能指標(biāo),可以達(dá)到轉(zhuǎn)速 74 000 r / min, 穩(wěn)定性 0.01 / s, 角隨機(jī)游走0.085 / h, 代表了目前靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺研究的較高水平, 如圖3.5.2所示。圖3.5.2 日本 Tokimec公司研制的直徑 1.5 mm 環(huán)形轉(zhuǎn)子陀螺芯片及其封裝2006年 4

38、月, 在 DARPA 導(dǎo)航級(jí)集成微陀螺項(xiàng)目的資助下, 美國(guó) Archangel systems 公司開始了靜電懸浮環(huán)形轉(zhuǎn)子微陀螺的研發(fā)。該項(xiàng)目采用標(biāo)準(zhǔn)MEMS 工藝, 只用五次光刻掩模優(yōu)化定子極板, 制造三定子- 雙轉(zhuǎn)子豎層堆疊結(jié)構(gòu), 利用差動(dòng)檢測(cè)原理來(lái)提高分辨率和精度, 使用軸向三對(duì)電極驅(qū)動(dòng)代替以往的四對(duì)電極, 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電極使用魚鱗層疊裝分布。 2009 年, 該計(jì)劃的成果顯示,該器件可以在6 mT ( 1 mT = 0 133 Pa) 的真空環(huán)境下以200 r/ min 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 2 h, 還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到該項(xiàng)目的預(yù)期。2001 年, 英國(guó)南安普敦大學(xué)也開始了靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的研究。該課

39、題組在控制的建模與仿真方面做了大量研究, 引入了開關(guān)懸浮控制策略, 有效避免了靜電吸附現(xiàn)象。上海交通大學(xué)利用 UVLIGA 和 LIGA 技術(shù), 設(shè)計(jì)并加工制作的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺采用非硅基工藝, 上下定子電極均排布在 Pyr ex 玻璃襯底上, 中間層主要為可自由活動(dòng)的鎳扁平轉(zhuǎn)子和徑向電極。上海交通大學(xué)在磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺研究基礎(chǔ)上, 于 2003 年開始了靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究, 采用MEMS 技術(shù)設(shè)計(jì)制作了靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺并搭建了測(cè)控系統(tǒng)。清華大學(xué)從2006 年開始研發(fā)可用于靜電懸浮微陀螺的微馬達(dá)。目前, 兩家單位的研發(fā)還在進(jìn)行中。靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的缺點(diǎn)是由于靜電力為吸引

40、力, 具有開環(huán)不穩(wěn)定特性, 且多自由度閉環(huán)測(cè)控系統(tǒng)比較復(fù)雜, 故實(shí)現(xiàn)微轉(zhuǎn)子五自由度懸浮且高速旋轉(zhuǎn)具有很大的挑戰(zhàn)性。懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的優(yōu)勢(shì)在于, 其排除了振動(dòng)式微陀螺所固有的正交誤差問(wèn)題, 無(wú)需頻率調(diào)諧, 可獲得較高的陀螺精度, 微轉(zhuǎn)子可以同時(shí)檢測(cè)兩軸角速度和三軸線加速度, 降低了微慣性測(cè)量組合( MIMU ) 的器件尺寸和研制成本。六、原子陀螺：原子陀螺儀是目前分辨率最高的陀螺儀, 在相同的實(shí)驗(yàn)條件下, 用原子干涉儀測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度要比用光學(xué)方法靈敏 10 個(gè)數(shù)量級(jí)。它利用原子干涉儀對(duì)在光和原子相互作用中光場(chǎng)相位改變的敏感性測(cè)量慣性力。在外在勢(shì)場(chǎng)如重力場(chǎng)影響下, 原子通過(guò)不同的干涉儀路徑受到不同勢(shì)的

41、作用, 從而有效地改變時(shí)間和空間上原子和光相互作用的時(shí)間和地點(diǎn)。Princeton 大學(xué)開發(fā)的原子核磁共振陀螺的靈敏度達(dá)到 0.002/ h, 長(zhǎng)期漂移為 0.04 / h。目前, 美國(guó)Darper 等研究機(jī)構(gòu)正在開展這類陀螺的小型化工作。第四章 微陀螺儀設(shè)計(jì)與制造一、設(shè)計(jì)流程與工具：微陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，只有通過(guò)結(jié)果設(shè)計(jì)之后才能進(jìn)行仿真分析，從而進(jìn)行結(jié)果的相互對(duì)比、驗(yàn)證與校核。微陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括六個(gè)方面的內(nèi)容，分別為振動(dòng)模態(tài)剛度設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)剛度設(shè)計(jì)與檢測(cè)剛度設(shè)計(jì)；振動(dòng)模態(tài)頻率設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)計(jì)與檢測(cè)頻率設(shè)計(jì)；振動(dòng)模態(tài)阻尼設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)方向阻尼設(shè)計(jì)與檢測(cè)方向阻尼設(shè)計(jì)；振動(dòng)模態(tài)Q

42、值設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)模態(tài)Q值設(shè)計(jì)與檢測(cè)模態(tài)Q值設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)模態(tài)特性設(shè)計(jì)，包括驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)位移設(shè)計(jì)；檢測(cè)模態(tài)特性設(shè)計(jì)，包括檢測(cè)位移設(shè)計(jì)、檢測(cè)應(yīng)力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)靈敏度設(shè)計(jì)等。而在進(jìn)行這些設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中還需遵循一定的原則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則包括工藝先行原則和結(jié)構(gòu)最優(yōu)原則，其中工藝先行原則又需考慮尺寸、精度可行性，溫度、腐蝕、工藝兼容性，工藝重復(fù)性以及環(huán)保要求；結(jié)構(gòu)最優(yōu)原則又需考慮原理、形狀、尺寸的最優(yōu)化。 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前必然要進(jìn)行分析，其中包括優(yōu)化設(shè)計(jì)、瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、模態(tài)分析、路徑分析、靜態(tài)分析等，在這些分析當(dāng)中還需考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、哥氏效應(yīng)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、敏感器件位置、振型和頻率、振幅和位移等參數(shù)。 二、工

43、藝方法：如圖4.2.1所示，先在襯底表面生長(zhǎng)薄膜，通過(guò)對(duì)薄膜進(jìn)行光刻、刻蝕等形成結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是易于與IC集成。常用的MEMS器件加工工藝方法有表面工藝與體硅工藝。圖4.2.1 典型MEMS制造工藝流程具體的刻蝕技術(shù)主要有光刻、濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、聚焦離子束刻蝕等一般用來(lái)制作MEMS陀螺結(jié)構(gòu)；主要的加工工藝有分子束外延、薄膜淀積、氧化、擴(kuò)散、注入、濺射、蒸鍍等技術(shù)用以加速度敏感部件及相應(yīng)的電極和引線的制作；鍵合技術(shù)用于敏感部件與陀螺結(jié)構(gòu)之間的連接。劃片和封裝技術(shù)用于微陀螺結(jié)構(gòu)及敏感部件組合體單體分離及外部連接引線制作等，完成微陀螺基本器件制作。三、制造技術(shù)難點(diǎn)： 1、包括微機(jī)械陀螺應(yīng)用在內(nèi)的M

44、EMS，力學(xué)參數(shù)較宏觀情況明顯變化，宏觀物理定律已經(jīng)不能完全對(duì) MEMS 的設(shè)計(jì)、制造工藝、封裝以及應(yīng)用進(jìn)行解釋和指導(dǎo)。這些因素限制妨礙了微機(jī)械陀螺性能的提高13。 2、隨著MEMS傳感器尺寸的縮小，敏感部件也不斷縮小，傳統(tǒng)檢測(cè)效應(yīng)接近靈敏度極限，限制了高性能MEMS陀螺儀的發(fā)展，新效應(yīng)新原理器件亟待開發(fā)。3、國(guó)內(nèi)方面工藝和技術(shù)都相對(duì)落后，國(guó)外方面技術(shù)封鎖限制了高性能器件結(jié)構(gòu)的制作；微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)有待提高，信號(hào)處理能力仍有待加強(qiáng)。第五章 微陀螺儀測(cè)試及應(yīng)用一、測(cè)試內(nèi)容及手段：與其它陀螺儀一樣，完成微機(jī)械陀螺儀的陀螺體的制作只是完成了整個(gè)MEMS陀螺儀研究工作的一部分。還有陀螺儀信號(hào)提取與校準(zhǔn)

45、，靈敏度測(cè)試、量程測(cè)試、線性度測(cè)試、固有頻率測(cè)試、抗過(guò)載能力測(cè)試等等，各種性能的測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容詳細(xì)見圖5.1.1。圖5.1.1 測(cè)試內(nèi)容項(xiàng)目二、數(shù)據(jù)分析及方法：利用前述方法測(cè)得傳感器輸出波形或數(shù)據(jù)，取不同輸入情況下的離散點(diǎn)，獲取批量數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab、OriginLab、Excel等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和曲線的擬合，分析陀螺儀線性度，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、變換等處理，分析陀螺的時(shí)頻域特性。與利用ANSYS、Matlab等軟件仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖5.2.1 一種電磁驅(qū)動(dòng)式MEMS陀螺的固有頻率測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理三、應(yīng)用案例：5.3.1 慣性平臺(tái)：陀螺技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了慣性平臺(tái)的發(fā)展

46、，慣性穩(wěn)定平臺(tái)由于能夠隔離載體( 導(dǎo)彈、飛機(jī)、戰(zhàn)車及艦船)的運(yùn)動(dòng)干擾，不斷調(diào)整平臺(tái)的姿態(tài)和位置的變化，精確保持動(dòng)態(tài)姿態(tài)基準(zhǔn)。利用陀螺儀使平臺(tái)保持穩(wěn)定，不管導(dǎo)彈飛行時(shí)姿態(tài)發(fā)生多大變化，平臺(tái)相對(duì)于慣性參考坐標(biāo)系的方向始終保持不變，因而可以簡(jiǎn)化導(dǎo)航計(jì)算，洲際彈道導(dǎo)彈、潛地彈道導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈和大型運(yùn)載火箭基本上都采用平臺(tái)式慣性制導(dǎo)，陀螺用于測(cè)量敏感平臺(tái)相對(duì)于慣性空間的角速率，穩(wěn)定平臺(tái)根據(jù)陀螺測(cè)得的慣性角速率，輸出一個(gè)反向作用力以抵消載體運(yùn)動(dòng)的影響，從而保持平臺(tái)的姿態(tài)穩(wěn)定，在平臺(tái)穩(wěn)定的情況下，載體才能高效、精確、穩(wěn)定地完成相應(yīng)的工作和任務(wù)，因此，陀螺的性能對(duì)于慣性平臺(tái)有重要意義。由于技術(shù)、精度以及出

47、口限制，微機(jī)械陀螺在國(guó)內(nèi)應(yīng)用相對(duì)較少，但在國(guó)外高精度微機(jī)械陀螺已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了軍事領(lǐng)域。1）美國(guó)BEI公司SystemDonner慣性公司研制出的GyroChipTM系列微機(jī)械陀螺，如Horizon、QRS11、QRS116、SDD3000，是一類高性能的固態(tài)石英音叉型振動(dòng)陀螺。QRS116已經(jīng)應(yīng)用到捕食者無(wú)人機(jī)上，而SDD3000則已應(yīng)用作全球鷹無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定平臺(tái)中，其中SDD3000的性能參數(shù)如表1所示。表1 BEI公司SDD3000的系統(tǒng)特性2）美國(guó)霍尼韋爾公司研制的新型兩軸微機(jī)械陀螺GG5200和三軸微機(jī)械陀螺GG5300，圖5.3.1 霍尼韋爾公司微機(jī)械陀螺儀慣性平臺(tái)專為導(dǎo)引頭瞄準(zhǔn)線穩(wěn)

48、定、天線指向穩(wěn)定、炮塔穩(wěn)定和飛行控制而設(shè)計(jì)。目前，GG5200 已替代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺應(yīng)用到Stryker 裝甲車的炮塔穩(wěn)定平臺(tái)中，而三軸微機(jī)械陀螺GG5300采取了最先進(jìn)的硅微電系統(tǒng)加工技術(shù)，使其具備比GG5200更高的穩(wěn)定性和精度，被應(yīng)用于美國(guó)M1主戰(zhàn)坦克上。圖5.3.1列出了微機(jī)械陀螺在武器裝備上作為慣性平臺(tái)的具體應(yīng)用。5.3.2姿態(tài)平衡：飛機(jī)上有陀螺儀，其安裝在飛機(jī)駕駛艙的儀表盤上。陀螺儀在飛行時(shí)起的主要作用并不是穩(wěn)定飛機(jī)，而是指示飛機(jī)飛行姿態(tài)，也叫姿態(tài)儀，告訴你飛機(jī)仰角，俯角，傾角（飛機(jī)空中轉(zhuǎn)向時(shí)兩翼與水平面的夾角）。由于陀螺儀在工作狀態(tài)下，保持絕對(duì)姿態(tài)，所以可以指示飛機(jī)飛行時(shí)姿態(tài)，以保證飛行員掌握以及控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)，保證飛機(jī)安全，正常飛行。美國(guó)BEI公司QRS116成功用于F-22上，用作姿態(tài)