MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究課件

MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究1MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究MEMS陀螺儀研究背景MEMS陀螺儀基本知識目錄2MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究1、MEMS陀螺儀研究背景MEMS陀螺儀應用領域MEMS陀螺儀國外研究現(xiàn)狀MEMS陀螺儀基本概念MEMS陀螺儀國內(nèi)研究現(xiàn)狀MEMS陀螺儀主要性能指標3MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究1.1MEMS陀螺儀基本概念陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來測量物體轉動角速度或角位移的傳感器。按照制作原理及結構可將其大致分為轉子陀螺儀、光學陀螺儀、振動陀螺儀三類。振動式陀螺是基于柯氏效應工作的機械陀螺，可動部件為諧振子，諧振子的加工工藝主要有傳統(tǒng)工藝和微機械加工工藝兩種方式。各種原理的陀螺儀4MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究基于微機械加工工藝制造的陀螺儀稱為MEMS陀螺儀。MEMS陀螺儀主要有轉子式、振動式和介質類三種。目前，MEMS陀螺儀的主流是振動式的，轉子式和介質類的MEMS陀螺較為少見。體積微小的微機械陀螺1.1MEMS陀螺儀基本概念5MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究1.2MEMS陀螺儀主要性能指標陀螺儀的核心技術指標是零偏穩(wěn)定性和角度隨機游走。按照零偏穩(wěn)定性的大小以及其它主要性能指標的不同，可將陀螺儀分為三個級別：慣性級、戰(zhàn)術級和速率級。性能指標慣性級戰(zhàn)術級速率級零偏漂移(deg/h)<0.010.01~1010~1000角度隨機游走系數(shù)(deg/√h)<0.0010.001~0.5>0.5標度因數(shù)非線性度（%）<0.0010.001~0.10.1~1滿量程范圍（deg/s）>400>50030~1000帶寬（Hz）~100~100>70應用范圍飛機、船舶、航天器等航向參考系統(tǒng)、制導導彈等移動終端、汽車、照相機等不同級別陀螺儀的性能指標要求6MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究1.3MEMS陀螺儀應用領域

微機械陀螺體積小、功耗低、成本低、抗過載能力強、動態(tài)范圍大、可集成化等優(yōu)點，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)代軍事領域具有廣泛的應用前景。

在陀螺儀的傳統(tǒng)應用領域，國防軍事應用中，高精度微機械陀螺將可用于導彈、航空航天、超音速飛行器等高精度需求的軍用產(chǎn)品中7MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究1.3MEMS陀螺儀應用領域

隨著先進的微電子技術的發(fā)展，成本和價格也會大幅下降。其低廉的價格將使其在民用消費領域也將具有廣闊的應用前景，有望在一些新的領域中，如車載導航系統(tǒng)、天文望遠鏡、工業(yè)機器人、計算機鼠標、照相機甚至是機器人玩具等中低端上應用需求的產(chǎn)品中得到應用。8MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究1.4MEMS陀螺儀國外研究現(xiàn)狀微機械陀螺的研究始于20世紀80年代，經(jīng)過幾十年的研究國外相關已經(jīng)比較成熟，眾多科研單位及公司如美國Draper實驗室、ADI公司、Berkeley大學，德國DaimlerBenz公司、Bosch公司，挪威的Sensornor，日本Toyota公司，以及土耳其、芬蘭等國家，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性0.01o/h、角度隨機游走0.002o/rt-hr。Sensornor公司也發(fā)布了零偏穩(wěn)定性0.05o/h的產(chǎn)品。國外研究的目標是研制零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.01o/h的慣性級微機電陀螺，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實驗室的微機電陀螺結構9MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究Bosch公司研制的輪式微陀螺結構Michigan大學研制的環(huán)式微陀螺結構10（a）雙質量音叉式（b）四質量擺式結構（c）盤式諧振結構加州大學Irvine分校研制的微機電陀螺結構10MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究1.5MEMS陀螺儀國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國的MEMS技術研究工作起步較晚，但正積極開展研究，國家已經(jīng)投入巨資用于MEMS陀螺技術的研究。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、國防科大、哈工大等多家單位，經(jīng)過十多年的努力，在基礎理論、加工技術和工程應用等方面的研究已取得了明顯的進步。但不可否認，與國外差距仍然較大，高性能微機械陀螺少有商業(yè)化產(chǎn)品。（a）振動輪式結構（b）雙質量塊陀螺結構北京大學研制的微機械陀螺儀11MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究（a）振動輪式結構（b）雙解耦Z軸體硅陀螺結構東南大學研制的微機械陀螺儀（a）振動輪式結構（b）線振動解耦陀螺結構清華大學研制的微機械陀螺儀12MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究2、MEMS陀螺儀基本知識MEMS陀螺儀分類及基本結構MEMS陀螺儀基本原理MEMS陀螺儀工藝方法MEMS陀螺儀制造技術難點MEMS陀螺儀設計流程及工具13MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究2.1MEMS陀螺儀基本原理微機械陀螺的基本原理是利用柯氏力進行能量的傳遞，將諧振器的一種振動模式激勵到另一種振動模式，后一種振動模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過測量振幅實現(xiàn)對角速度的測量?？率霞铀俣仁莿訁⑾档霓D動與動點相對動參系運動相互耦合引起的加速度?？率霞铀俣鹊姆较虼怪庇诮撬俣仁噶亢拖鄬λ俣仁噶俊Ｅ袛喾椒ò凑沼沂中M規(guī)則進行判斷ωVac14MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究ωyxacV

假如質點以非?？斓乃俣妊剞D盤徑向做簡諧振動，利用右手旋進準則可判斷出，質點將在轉盤上不停地沿垂直于簡諧振動方向和轉盤角速度兩方向垂直的第三方向振動，利用這一原理就可制作出微機械陀螺（右圖為電磁驅動共振隧穿效應檢測的微機械陀螺結構）。2.1MEMS陀螺儀基本原理15MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究2.1MEMS陀螺儀基本原理MEMS陀螺儀驅動及檢測原理左圖為清華大學2004年提出的數(shù)字化測控電路原理圖16MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究2.2MEMS陀螺儀分類及結構

微機構陀螺可以從以下幾個方面進行劃分：振動結構，材料，加工方式，驅動方式，檢測方式和工作模式。微機械陀螺分類按振動結構按材料按加工方式旋轉振動結構線性振動結構振動盤結構陀螺旋轉盤結構陀螺正交線振動結構非正交線振動結構振動平板結構振動梁結構振動音叉結構加速度計振動結構振動平板結構振動梁結構振動音叉結構單晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料體微機械加工表面微機械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑)17MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究2.2MEMS陀螺儀分類及結構

微機構陀螺可以從以下幾個方面進行劃分：振動結構，材料，加工方式，驅動方式，檢測方式和工作模式。微機械陀螺分類按振動結構按材料按加工方式旋轉振動結構線性振動結構振動盤結構陀螺旋轉盤結構陀螺正交線振動結構非正交線振動結構振動平板結構振動梁結構振動音叉結構加速度計振動結構振動平板結構振動梁結構振動音叉結構單晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料體微機械加工表面微機械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑)表面工藝結構體硅工藝結構18MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究

微機構陀螺可以從以下幾個方面進行劃分：振動結構，材料，加工方式，驅動方式，檢測方式和工作模式。微機械陀螺分類按驅動方式按檢測方式壓電式靜電式電磁式壓電檢測電容檢測壓阻式檢測光學檢測隧道效應檢測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2.2MEMS陀螺儀分類及結構19MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究

微機構陀螺可以從以下幾個方面進行劃分：振動結構，材料，加工方式，驅動方式，檢測方式和工作模式。微機械陀螺分類按驅動方式按檢測方式壓電式靜電式電磁式壓電檢測電容檢測壓阻式檢測光學檢測隧道效應檢測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2.2MEMS陀螺儀分類及結構20MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究技術指標電容式壓電式壓阻式隧道效應式光學阻抗高高低高\電負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中等高很高電路復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械設計，而非轉導作用部分檢測方式的MEMS陀螺性能對比2.2MEMS陀螺儀分類及結構MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究結構設計方法結構設計相關內(nèi)容作用：進行結果的相互對比、驗證與校核2.3MEMS陀螺儀設計流程及工具22MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究有限元軟件靜態(tài)分析優(yōu)化設計模態(tài)分析瞬態(tài)分析諧響應分析結構應力結構參數(shù)哥氏效應振動幅值限位位移振型和頻率敏感器件位置路徑分析2.3MEMS陀螺儀設計流程及工具常用的有限元軟件：ANSYS、COMSOL23MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究3.1MEMS陀螺儀設計流程及工具結構設計靈敏度頻率匹配Q值設計初始化尺寸軟件優(yōu)化理論計算優(yōu)化尺寸靈敏度噪聲檢驗MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究2.3MEMS陀螺儀設計流程及工具結構設計靈敏度頻率匹配Q值設計初始化尺寸軟件優(yōu)化理論計算優(yōu)化尺寸靈敏度噪聲檢驗25MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究工作原理示意圖動力學模型動力學方程諧振狀態(tài)下工作模態(tài)穩(wěn)態(tài)解2.3MEMS陀螺儀設計流程及工具26MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究工作原理示意圖動力學模型動力學方程諧振狀態(tài)下工作模態(tài)穩(wěn)態(tài)解2.3MEMS陀螺儀設計流程及工具靈敏度：結論：當ω=ωx=ωz

時，陀螺的檢測靈敏度最高。27MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究典型MEMS制造工藝流程2.4MEMS陀螺儀工藝方法28MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究常用的MEMS器件加工工藝方法表面工藝2.4MEMS陀螺儀工藝方法先在襯底表面生長薄膜，通過對薄膜進行光刻、刻蝕等形成結構。優(yōu)點：易于與IC集成。29MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究常用的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)釋放結構體硅深刻蝕釋放工藝體硅工藝2.4MEMS陀螺儀工藝方法30MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究具體的常用MEMS器件加工工藝方法：具體的刻蝕技術主要有光刻、濕法刻蝕、反應離子刻蝕、聚焦離子束刻蝕等一般用來制作MEMS陀螺結構；

主要的加工工藝有分子束外延、薄膜淀積、氧化、擴散、注入、濺射、蒸鍍等技術用以加速度敏感部件及相應的電極和引線的制作；鍵合技術用于敏感部件與陀螺結構之間的連接。

劃片和封裝技術用于微陀螺結構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。2.4MEMS陀螺儀工藝方法31MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術研究1、包括微機械陀螺應用在內(nèi)的MEMS，力學參數(shù)較宏觀情況明顯變化，宏觀物理定律已經(jīng)不能完全對MEMS的設計、制造工藝、封裝以及應用進行解釋和指導。這些因素限制妨礙了微機械陀螺性