MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術(shù)研究

1、MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術(shù)研究12MEMS陀螺儀研究背景MEMS陀螺儀基本知識(shí)31、 MEMS陀螺儀研究背景MEMS陀螺儀應(yīng)用領(lǐng)域MEMS陀螺儀國(guó)外研究現(xiàn)狀MEMS陀螺儀基本概念MEMS陀螺儀國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀MEMS陀螺儀主要性能指標(biāo)4 陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)角速度或角位移的傳感器。按照制作原理及結(jié)構(gòu)可將其大致分為轉(zhuǎn)子陀螺儀、光學(xué)陀螺儀、振動(dòng)陀螺儀三類。振動(dòng)式陀螺是基于柯氏效應(yīng)工作的機(jī)械陀螺，可動(dòng)部件為諧振子，諧振子的加工工藝主要有傳統(tǒng)工藝和微機(jī)械加工工藝兩種方式。各種原理的陀螺儀5基于微機(jī)械加工工藝制造的陀螺儀稱為MEMS陀螺儀。 MEMS陀螺儀主要有轉(zhuǎn)子式、振動(dòng)式和介質(zhì)類

2、三種。目前，MEMS陀螺儀的主流是振動(dòng)式的，轉(zhuǎn)子式和介質(zhì)類的MEMS陀螺較為少見。體積微小的微機(jī)械陀螺6陀螺儀的核心技術(shù)指標(biāo)是零偏穩(wěn)定性和角度隨機(jī)游走。按照零偏穩(wěn)定性的大小以及其它主要性能指標(biāo)的不同，可將陀螺儀分為三個(gè)級(jí)別：慣性級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和速率級(jí)。性能指標(biāo)慣性級(jí)戰(zhàn)術(shù)級(jí)速率級(jí)零偏漂移(deg/h)0.010.0110101000角度隨機(jī)游走系數(shù)(deg/h)0.5標(biāo)度因數(shù)非線性度（%）400500301000帶寬（Hz）10010070應(yīng)用范圍飛機(jī)、船舶、航天器等航向參考系統(tǒng)、制導(dǎo)導(dǎo)彈等移動(dòng)終端、汽車、照相機(jī)等不同級(jí)別陀螺儀的性能指標(biāo)要求7 微機(jī)械陀螺體積小、功耗低、成本低、抗過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范

3、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 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。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。9微機(jī)械陀螺的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過幾十年的研究國(guó)外相關(guān)已經(jīng)比較成熟，眾多科研單位及公

4、司如美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室、ADI公司、Berkeley大學(xué)，德國(guó)Daimler Benz公司、Bosch公司，挪威的Sensornor，日本Toyota公司，以及土耳其、芬蘭等國(guó)家，已有商業(yè)化產(chǎn)品。其中Boeing 公司的8mm 直徑DRG 的最好性能為零偏重復(fù)性0.01/h、角度隨機(jī)游走0.002/rt-hr。Sensornor公司也發(fā)布了零偏穩(wěn)定性0.05/h 的產(chǎn)品。國(guó)外研究的目標(biāo)是研制零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01/h的慣性級(jí)微機(jī)電陀螺，逐步取代激光陀螺和光纖陀螺等傳統(tǒng)產(chǎn)品。產(chǎn)品。(a) 框架式(b) 音叉式Draper 實(shí)驗(yàn)室的微機(jī)電陀螺結(jié)構(gòu)10Bosch 公司研制的輪式微陀螺結(jié)構(gòu)Mich

5、igan大學(xué)研制的環(huán)式微陀螺結(jié)構(gòu)10 （a）雙質(zhì)量音叉式 （b）四質(zhì)量擺式結(jié)構(gòu) （c）盤式諧振結(jié)構(gòu)加州大學(xué)Irvine 分校研制的微機(jī)電陀螺結(jié)構(gòu)11我國(guó)的MEMS 技術(shù)研究工作起步較晚，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、東南大學(xué)、國(guó)防科大、哈工大等多家單位，經(jīng)過十多年的努力，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。（a）振動(dòng)輪式結(jié)構(gòu)（b）雙質(zhì)量塊陀螺結(jié)構(gòu)北京大學(xué)研制的微機(jī)械陀螺儀12（a）振動(dòng)輪式結(jié)構(gòu)（b）雙解耦Z 軸體硅陀螺結(jié)構(gòu)

6、東南大學(xué)研制的微機(jī)械陀螺儀（a）振動(dòng)輪式結(jié)構(gòu)（b）線振動(dòng)解耦陀螺結(jié)構(gòu)清華大學(xué)研制的微機(jī)械陀螺儀132、 MEMS陀螺儀基本知識(shí)MEMS陀螺儀分類及基本結(jié)構(gòu)MEMS陀螺儀基本原理MEMS陀螺儀工藝方法MEMS陀螺儀制造技術(shù)難點(diǎn)MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)流程及工具14 微機(jī)械陀螺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，通過測(cè)量振幅實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的測(cè)量。 柯氏加速度是動(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。判斷方法按照右手旋進(jìn)規(guī)則進(jìn)行判斷Vac15yxacV 假

7、如質(zhì)點(diǎn)以非?？斓乃俣妊剞D(zhuǎn)盤徑向做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，利用右手旋進(jìn)準(zhǔn)則可判斷出，質(zhì)點(diǎn)將在轉(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（右圖為電磁驅(qū)動(dòng)共振隧穿效應(yīng)檢測(cè)的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)）。16MEMS陀螺儀驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)原理左圖為清華大學(xué)2004年提出的數(shù)字化測(cè)控電路原理圖17 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。微機(jī)械陀螺分類按振動(dòng)結(jié)構(gòu)按材料按加工方式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)線性振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)盤結(jié)構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)陀螺正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)非正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)加速度計(jì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)

8、梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)單晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料體微機(jī)械加工表面微機(jī)械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑)18 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。微機(jī)械陀螺分類按振動(dòng)結(jié)構(gòu)按材料按加工方式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)線性振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)盤結(jié)構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)陀螺正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)非正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)加速度計(jì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)單晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料體微機(jī)械加工表面微機(jī)械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑)表面工藝結(jié)構(gòu)體硅工藝結(jié)構(gòu)19 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

9、式，檢測(cè)方式和工作模式。微機(jī)械陀螺分類按驅(qū)動(dòng)方式按檢測(cè)方式壓電式靜電式電磁式壓電檢測(cè)電容檢測(cè)壓阻式檢測(cè)光學(xué)檢測(cè)隧道效應(yīng)檢測(cè)按工作模式速率陀螺速率積分陀螺閉環(huán)模式開環(huán)模式全角模式20 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。微機(jī)械陀螺分類按驅(qū)動(dòng)方式按檢測(cè)方式壓電式靜電式電磁式壓電檢測(cè)電容檢測(cè)壓阻式檢測(cè)光學(xué)檢測(cè)隧道效應(yīng)檢測(cè)按工作模式速率陀螺速率積分陀螺閉環(huán)模式開環(huán)模式全角模式技術(shù)指標(biāo)電容式 壓電式壓阻式隧道效應(yīng)式光學(xué)阻抗高高低高電負(fù)載影響非常大大小小小尺寸大小中等小大溫度范圍非常寬寬中等中等寬線性度誤差高中等低高低有無阻尼有無有有無靈敏度高中等

10、中等高很高電路復(fù)雜程度高中等低高高成本高高低中高交叉軸敏感度主要取決于機(jī)械設(shè)計(jì)，而非轉(zhuǎn)導(dǎo)作用部分檢測(cè)方式的MEMS陀螺性能對(duì)比22結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容作用：進(jìn)行結(jié)果的相互對(duì)比、驗(yàn)證與校核23有限元軟件靜態(tài)分析靜態(tài)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)模態(tài)分析模態(tài)分析瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)哥氏效應(yīng)哥氏效應(yīng)振動(dòng)幅值振動(dòng)幅值限位位移限位位移振型和頻率振型和頻率敏感器敏感器件位置件位置路徑分析路徑分析常用的有限元軟件：ANSYS、COMSOL3.1 MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)流程及工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈敏度頻率匹配Q值設(shè)計(jì)初始化尺寸軟件優(yōu)化理論計(jì)算優(yōu)化尺寸靈敏度噪 聲檢驗(yàn)25結(jié)構(gòu)設(shè)

11、計(jì)靈敏度頻率匹配Q值設(shè)計(jì)初始化尺寸軟件優(yōu)化理論計(jì)算優(yōu)化尺寸靈敏度噪 聲檢驗(yàn)26工作原理示意圖動(dòng)力學(xué)模型_002020rzryrzrzryrzdrzryryrzryrysenzwrzrzxsenywryrzddryrydsxsIcckkcckkMMIMIIM 動(dòng)力學(xué)方程00()cos()dedddrzQ MtI00222200000001002002()()()cos(tan90 )1ddsexrzsdssdsddsdssddsQ Q MIQQt 諧振狀態(tài)下工作模態(tài)穩(wěn)態(tài)解27工作原理示意圖動(dòng)力學(xué)模型_002020rzryrzrzryrzdrzryryrzryrysenzwrzrzxsenywry

12、rzddryrydsxsIcckkcckkMMIMIIM 動(dòng)力學(xué)方程00()cos()dedddrzQ MtI00222200000001002002()()()cos(tan90 )1ddsexrzsdssdsddsdssddsQ Q MIQQt 諧振狀態(tài)下工作模態(tài)穩(wěn)態(tài)解02222222222z2111111zzzxxxzzxxBSQQFm靈敏度：結(jié)論：當(dāng)=x=z 時(shí)，陀螺的檢測(cè)靈敏度最高。28多次重復(fù)厚膜、深刻蝕、次數(shù)少去除犧牲層，釋放結(jié)構(gòu)其他微加工工藝部分封裝，多種測(cè)試特殊工藝保護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)試淀積光刻刻蝕劃片裝架封裝測(cè)試典型MEMS制造工藝流程29常用的MEMS器件加工工藝方法表面工藝*先在

13、襯底表面生長(zhǎng)薄膜，通過對(duì)薄膜進(jìn)行光刻、刻蝕等形成結(jié)構(gòu)。*優(yōu)點(diǎn)：易于與IC集成。30常用的MEMS器件加工工藝方法(1)刻蝕淺槽GlassSi(2)表面摻雜(3)金屬電極(4)陽極鍵合(5)硅片剪薄(6)釋放結(jié)構(gòu)體硅深刻蝕釋放工藝體硅深刻蝕釋放工藝體硅工藝31具體的常用MEMS器件加工工藝方法： 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。32 1、包括微機(jī)械陀螺應(yīng)用在內(nèi)的MEMS，力學(xué)參數(shù)較宏觀情況明顯變化，宏觀物理定律已經(jīng)