微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢

微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢

劉志軍2120120999檢測技術(shù)與自動化裝置搭訕電話：傳感器信號處理執(zhí)行器

MEMS是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世紀前沿技術(shù)，對微米/納米材料進行設(shè)計、加工、制造和控制。MEMS是多種學(xué)科的交叉融合，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，目前已成功地應(yīng)用于汽車、電子和軍事等行業(yè)。美國：微電子機械系統(tǒng)（MEMS）

（MicroElectroMechanicalSystem）歐洲：微系統(tǒng)技術(shù)（MST）

（MicroSystemTechnology）日本：微機械（Micromachine）MEMS簡介

微機電系統(tǒng)的尺寸

在微小尺寸范圍內(nèi)，機械依其特征尺寸可以劃分為1-10毫米的小型(Mini-)機械，1微米一1毫米的微型機械以及1納米一1微米的機械。所謂微型機械從廣義上包含了微小型和納米機械，但并非單純微小化，而是指可批量制作的集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及接口信號處理和控制電路、通訊和電源等于一體的微電子機械系統(tǒng)(Micro-ElectronicMechanicalSystem-MEMS)或稱為微機電系統(tǒng)。MEMS的特點1.微型化:MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、回應(yīng)時間短。2以硅為主要材料，機械電器性能優(yōu)良。3.大量生產(chǎn):用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。4.集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器數(shù)組、微執(zhí)行器數(shù)組，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。5.多學(xué)科交叉:MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集中了當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。微慣性器件類別微機電加速度計微陀螺儀微加速度計、微陀螺儀外觀微機電加速度計發(fā)展1977年，美國斯坦福大學(xué)首先采用各向異性蝕刻與微光刻技術(shù)制成一種開環(huán)微型加速度計，并于20世紀8O年代初首次投放市場，隨后許多公司也紛紛仿效研制。在8O年代后半期，人們開始研究各種力平衡式硅微加速度計，并取得了巨大進展。2O世紀9O年代后期，美國加州大學(xué)柏克利分校傳感器與執(zhí)行器研究中心(TheBerkeleySensorActuaterCenter.BSAC)，CSDL及Honeywell公司等相繼開展了硅微諧振式加速度計技術(shù)的研究，這種加速度計將被測加速度信號轉(zhuǎn)換成諧振器的頻率變化，直接輸出數(shù)字信號，避免了微電容檢測的弊端.隧道電流式加速度計(tunnelingbasedmicromachinedsiliconaecelerometer，TMSA)是將微機械加工的微結(jié)構(gòu)與基于電子隧道效應(yīng)的新的高靈敏測量技術(shù)結(jié)合在一起形成的。，隧道電流硅微加速度計具有靈敏度高、信噪比大、動態(tài)范圍廣等一系列優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的新型傳感器。

國內(nèi)微機電加速度計技術(shù)的研究始于20世紀90年代初，清華大學(xué)、中國電科集團第13研究所、49研究所、中國航天科技集團時代電子公司、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、北京大學(xué)、東南大學(xué)、中北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)一重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)等多個單位先后從事這方面的研究工作，研制出的產(chǎn)品已能滿足中低精度的需求。懸臂梁式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)圖硅梁結(jié)構(gòu)圖硅梁結(jié)構(gòu)圖2.電容式加速度微傳感器三軸式電容式加速度微傳感器3.諧振式加速度傳感器4.隧道式加速度微傳感器5.伺服式加速度微傳感器微機電加速度計應(yīng)用1.傾斜測量和調(diào)平系統(tǒng)2.慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)3.醫(yī)療器械4.安全防撞系統(tǒng)5.提高電梯車輛舒適性4.安全防撞系統(tǒng)

傳感器分辨率靈敏度要求較高，保證適時發(fā)出氣囊充氣的指令。MEMS在汽車中的應(yīng)用提高電梯飯車輛舒適蔽性提供安全叼與舒適的游轉(zhuǎn)向架監(jiān)誦控和診訓(xùn)斷系統(tǒng)，軟改進乘客諒舒適度的衣高速列車危傾斜控制吵系統(tǒng)，磁諸懸浮列車臥的位置監(jiān)摔控，提供熟安全與維前護的精準越列車定位膠和鐵路軌鵝道監(jiān)控系血統(tǒng)。1、微機械萄陀螺儀扛基本概懶念微機械游陀螺特耀點微機械陀要螺分類基本概贈念及組片成1.1基本概念班及組成陀螺儀惡也稱角閥速率傳巾感器，運是用來報測量物四體旋轉(zhuǎn)劑快慢的動傳感器閃。微機皆械陀螺助儀(ME膠MS數(shù)gyr泥osc男ope晉)主要有轉(zhuǎn)子式、振動式微機械略陀螺儀鼓和微機械加贏速度計陀勤螺儀三種。由于工門藝限制低，在硅壓襯底上為加工出勤可高速甲旋轉(zhuǎn)的工轉(zhuǎn)子并臭不容易慢，因此映轉(zhuǎn)子式栽的微機評械陀螺希并不常醫(yī)見，而魯振動式環(huán)和微加旱速度計奸式的微盈陀螺基籍本原理筒一致，返都是利舅用柯氏效怠應(yīng)。目前，微站機械陀螺栗基本都是棗振動式的確，因此本述文將著重修對這類陀緊螺進行介鞋紹。振動細式微機械逗陀螺主要灣由支撐框紐奉架、諧振質(zhì)量墨塊，以及激勵和測量單元幾個部分染構(gòu)成。1.2微機械陀魚螺特點MEM耍S陀螺儀憶是利用cor珍iol墊is定理，懇將旋轉(zhuǎn)丙物體的肢角速度苦轉(zhuǎn)換成征和角速炒度成正肯比的直圍流電壓畫信號，懸其核心齒部件通棕過摻雜鎖技術(shù)、任光刻技婚術(shù)、腐側(cè)蝕技術(shù)晌、LIGA技術(shù)、封林裝技術(shù)等域批量生產(chǎn)系的，它主教要特點是優(yōu)點：1.體積小、益重量輕、前功耗低。2.成本低，竊加工工藝繳可保證大棚規(guī)模生產(chǎn)揪。3.可靠性好槽，工作壽閣命超過10萬小時拐，能承授受數(shù)千連甚至上和萬g的撞沖孫擊。4.測量范肆圍大，幟一些MEM樓S陀螺儀測阿量范圍可漠高達數(shù)千°/s缺點：目前，各屆種微機械思陀螺的角敵速度測量樓精度相對怒較低，漂移較大犁。1.2微機械萬陀螺特冤點MEM擺S陀螺儀鈴是利用cori天olis定理，泰將旋轉(zhuǎn)鄉(xiāng)豐物體的勁角速度緊轉(zhuǎn)換成騰和角速牙度成正戒比的直琴流電壓巾信號，懼其核心閘部件通后過摻雜愉技術(shù)、鑄光刻技返術(shù)、腐粉蝕技術(shù)淹、LIGA技術(shù)、搖封裝技眠術(shù)等批捆量生產(chǎn)銅的，它棕主要特敞點是優(yōu)點：1.體積小購、重量始輕、功掘耗低。2.成本低，喉加工工藝己可保證大柔規(guī)模生產(chǎn)皇。3.可靠性好狼，工作壽挖命超過10萬小時，披能承受數(shù)團千甚至上踏萬g的息沖艘擊。4.測量范梨圍大，棵一些MEM乞S陀螺儀竄測量范幣圍可高鉛達數(shù)千°/s缺點：目前，唐各種微膝機械陀粉螺的角導(dǎo)速度測總量精度廈相對較醉低，漂移較竟大。1.3微機械陀壺螺分類微機械陀動螺分類按振動結(jié)啦構(gòu)按材料按加工慮方式旋轉(zhuǎn)振動貢結(jié)構(gòu)線性振華動結(jié)構(gòu)振動盤結(jié)奇構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤結(jié)氧構(gòu)陀螺正交線鑰振動結(jié)蹤蝶構(gòu)非正交醋線振動羨結(jié)構(gòu)振動平板藥結(jié)構(gòu)振動梁結(jié)減構(gòu)振動音肉叉結(jié)構(gòu)加速度剖計振動肺結(jié)構(gòu)振動平板奴結(jié)構(gòu)振動梁結(jié)傳構(gòu)振動音叉利結(jié)構(gòu)單晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材速料體微機械處加工表面微圾機械加都工LIG窄A(光刻、電補鑄和注塑)表面工藝洗制作的微而結(jié)構(gòu)體硅工酷藝制作戰(zhàn)的微結(jié)擱構(gòu)返回1.3微機械勁陀螺分葛類微機械陀嘗螺分類按驅(qū)動方從式按檢測方緞式壓電式靜電式電磁式壓電檢測電容檢跡測壓阻式閘檢測光學(xué)檢測隧道效擾應(yīng)檢測按工作言模式速率陀螺速率積分傅陀螺閉環(huán)模式開環(huán)模查式整角模式壓電驅(qū)動靜電驅(qū)緊動電容米檢測電磁驅(qū)時動壓阻星檢測隧道效應(yīng)錄檢測4、微機纖械陀螺渴發(fā)展概撫述微機械比陀螺以佩體積小寸、成本剝低、抗苦過載能陪力強等消優(yōu)勢，西可應(yīng)用棟于導(dǎo)航伶、制導(dǎo)三、汽車煌、電子倘玩具等行領(lǐng)域，沙成為世殲界各國葵研究的轎熱點。微機械厚陀螺國落內(nèi)外研矩究現(xiàn)狀國外：檢如美國Drap亦er實驗室不、ADI公司、Berk尤eley大學(xué)，德鋼國Dai漁mle開rB瀉enz公司、Bos脖ch公司，日殖本Toyo聞ta公司，以北及土耳其分、芬蘭等勻國家，已烘有商業(yè)化椒產(chǎn)品。國內(nèi)：有杜北京大學(xué)頁、清華大翁學(xué)、復(fù)旦營大學(xué)、哈鞭爾濱工業(yè)維大學(xué)、中增科院上海假微系統(tǒng)所撒、中北大蜻學(xué)等，都匹對陀螺進脖行了深入針的研究，址取得了一冷定的成果堵，但無商故業(yè)化產(chǎn)品級，處于研杠究階段。德國Bosc廢h公司芬蘭赫爾壩辛基工業(yè)麻大學(xué)土耳其談安卡拉保中東科鎮(zhèn)技大學(xué)日本Mur哭ata促Mf駛g.C籌o美國Mich敲igan大學(xué)返回單位結(jié)構(gòu)特點檢測機理靈敏度/分辨率噪聲/漂移美國Michigan大學(xué)振動環(huán)式電容檢測25Hz帶寬下分辨率0.5/s7.2/h日本MurataMfg.Co獨立梁式電容驅(qū)動電容檢測25Hz帶寬下分辨率0.07/s/土耳其安卡拉中東科技大學(xué)電容驅(qū)動3mm×3mm電容檢測真空24mV/o/s大氣100μV/o/s/芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)框架式角振動電容檢測信噪比51.6dB德國Bosch公司雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動電容檢測18mV//s量程為100o/s國外微機究械陀螺的唇特點與性鮮能指標北京大學(xué)踏、清華大諒學(xué)、復(fù)旦貧大學(xué)，中菜科院上海姜微系統(tǒng)所返回單位結(jié)構(gòu)特點檢測機理靈敏度噪聲/漂移北大諧振式電容檢測22mv/°/s清華角振動電容檢測1.9mV/°/s/復(fù)旦雙質(zhì)量塊電容驅(qū)動壓阻檢測電橋輸出0.22μV/°/s/中科院雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動電容檢測9.8mV/°/s中北大學(xué)諧振式電容檢測0.7mV/°/s國內(nèi)微喂機械陀陳螺的特渴點與性賣能指標從國內(nèi)外株發(fā)展現(xiàn)狀解來看，微健機械陀螺從的特點總巖結(jié)如下：1、機械觀結(jié)構(gòu)：稀圓環(huán)、有獨立梁欣、框架茂、雙質(zhì)妄量塊2、驅(qū)動尸方式：脖電容驅(qū)熟動的多3、檢測攝方式：笛電容檢摔測的多4、使用的訓(xùn)材料：都已是Si基，靈敏扶度mV級5、微機械怠陀螺應(yīng)用微機械陀豈螺目前精簡度在10-2°/h左右，唐還將進住一步提繼高到10-3°/h。隨著先六進的微電憂子技術(shù)的戰(zhàn)發(fā)展，預(yù)右計微機械撲陀螺的價凳格將會在釋一美元到竭幾百美元蹈之間。其張低廉的價畫格使其具通有廣闊的惠應(yīng)用前景碰，有望在勞一些新的稼領(lǐng)域中得名到應(yīng)用，富如車載導(dǎo)欺航系統(tǒng)、膛天文望遠濤鏡、工業(yè)阿機器人、錄計算機鼠憲標，甚至鍵是玩具上父。智能手機橋中汽車中空中無洞線鼠標蠟中數(shù)碼相機角中智能機器聾人中應(yīng)用舉例應(yīng)用前百景展望在MEM步S中還存梨在著大衣量具有狹挑戰(zhàn)性乎的力、陸磁、電貨等問題品需要研乓究,對這些問袖題的有效翼解決則將阻會加快推餐動微機械副陀螺儀技子術(shù)的發(fā)展1、應(yīng)用販比重增蝦大2、仍然并面臨挑后戰(zhàn)過去幾十牌年內(nèi)，在猛汽車工業(yè)策需求的推個動下,微陀螺技弱術(shù)取得了咐長足進展畢，隨著對爺傳感器小宰型化、集味成化的應(yīng)就用需求，降其在應(yīng)用加領(lǐng)域中的濱比重將會盒不斷增大盒。9、靜夜四腎無鄰，荒逼居舊業(yè)貧哀。。4月-2傷34月-2腸3Fri延day汁,A府pri劍l2它8,篇202斯310、雨中蹲黃葉樹鎖，燈下心白頭人悼。。15:摩53:汁4515:5偏3:4515:5英34/28棋/202押33:專53:4具5PM11、以我琴獨沈久知，愧君乒相見頻茶。。4月-霉2315:5望3:4515:架53Apr-櫻2328-傭Apr窮-2312、故人須江海別益，幾度傲隔山川健。。15:腎53:蔥4515:上53:可4515:扇53Fri松day滲,A幸pri艱l2起8,吃202衫313、乍見襯翻疑夢策，相悲襲各問年胡。。4月-2尺34月-2績315:攤53:豪4515:五53:丈45Apr暢il耗28,裹20博2314、他鄉(xiāng)燈生白發(fā)倒，舊國葉見青山裙。。28四暢月20毅233:53牽:45超下午15:軟53:拘454月-畏2315、比不了登得就不比墳，得不到測的就不要股。。。四月2仇33:5絨3下棒午4月-2獄315:5栗3Apri摩l28捧,20妖2316、行動出釀成果，工挪作出財富佛。。2023勒/4/2改815筒:53:籌4515:5餅3:4528A倍pril艙202浮317、做前狀，能夠塘環(huán)視四滑周；做病時，你踩只能或眼者最好情沿著以秘腳為起河點的射纖線向前警。。3:5瓦3:4飼5下學(xué)午3:53寧下午15:5忽3:454月-民239、沒有谷失敗，輛只有暫述時停止脹成功！伐。4月-貪234月-倘23Fri支day孕,A麥pri扒l2賭8,嘴202嚼310、很多事巾情努力了霉未必有結(jié)駱果，但是姥不努力卻倘什么改變千也沒有。拉。15:5拘3:4515:5杜3:4515:糠534/2革8/2舌023欺3:給53:騙45歇PM11、成功就鄰是日復(fù)一它日那一點呀點小小努悔力的積累新。。4月-溪2315:5紅3:4515:5購3Apr-門2328-A趕pr-2襯312、世間肌成事，控不求其暑絕對圓而滿，留介一份不惠足，可僚得無限蹦完美。歡。15:5烏3:4515:嫁53:忠4515:5密3Frid落ay,強Apri己l28療,20最2313、不知祖香積寺傳，數(shù)里孔入云峰慨。。4月-2購34月-2擠315:靜53:殲4515:標53:至45Apri屯l28炊,20黃2314、意志堅油強的人能但把世界放對在手中像頌?zāi)鄩K一樣誦任意揉捏趨。28衫四月膀202萬33:53無:45親下午15:5尖3:454月-2宵315、楚塞三洋湘接，荊全門九派通刻。。。四月2撤33:53罰下午4月-販2315:卵53Apr緣瑞il擁28,勻20球2316、少年十罪五二十時至，步行奪泛得胡馬騎籍。。202稍3/4倆/28尼15保:53偽:4515:5丈3:4528A綿pril域202撫317、空山吧新雨后給，天氣另晚來秋器。。3:5倉3:4篩5下源午3:53失下午15:5蠢3:454月-2令39、楊柳銜散和風誤，青山挑澹吾慮嚷。。4月-2呼34月-樹23Fri艦day對,A喪pri蝕l2砍8,策202惜310、閱讀一蒼切好書如刮同和過去鍋最杰出的鏡人談話。15:5羊3:4515:口53:跟4515:覆534/28晨/202界33:詢53:4算5PM11、越是遞沒有本鳥領(lǐng)的就春越加自約命不凡錢。4月-2霞31