MEMS陀螺仪发展综述及技术研究

MEMS陀螺仪发展综述及技术研究12MEMS陀螺仪研究背景MEMS陀螺仪基本知识31、MEMS陀螺仪研究背景MEMS陀螺仪应用领域MEMS陀螺仪国外研究现状MEMS陀螺仪基本概念MEMS陀螺仪国内研究现状MEMS陀螺仪主要性能指标4陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体转动角速度或角位移的传感器。按照制作原理及结构可将其大致分为转子陀螺仪、光学陀螺仪、振动陀螺仪三类。振动式陀螺是基于柯氏效应工作的机械陀螺，可动部件为谐振子，谐振子的加工工艺主要有传统工艺和微机械加工工艺两种方式。各种原理的陀螺仪5基于微机械加工工艺制造的陀螺仪称为MEMS陀螺仪。MEMS陀螺仪主要有转子式、振动式和介质类三种。目前，MEMS陀螺仪的主流是振动式的，转子式和介质类的MEMS陀螺较为少见。体积微小的微机械陀螺6陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性和角度随机游走。按照零偏稳定性的大小以及其它主要性能指标的不同，可将陀螺仪分为三个级别：惯性级、战术级和速率级。性能指标惯性级战术级速率级零偏漂移(deg/h)0.010.01~1010~1000角度随机游走系数(deg/√h)0.0010.001~0.50.5标度因数非线性度（%）0.0010.001~0.10.1~1满量程范围（deg/s）40050030~1000带宽（Hz）~100~10070应用范围飞机、船舶、航天器等航向参考系统、制导导弹等移动终端、汽车、照相机等不同级别陀螺仪的性能指标要求7微机械陀螺体积小、功耗低、成本低、抗过载能力强、动态范围大、可集成化等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，而且总体性能大幅提升，因此在现代军事领域具有广泛的应用前景。在陀螺仪的传统应用领域，国防军事应用中，高精度微机械陀螺将可用于导弹、航空航天、超音速飞行器等高精度需求的军用产品中8随着先进的微电子技术的发展，成本和价格也会大幅下降。其低廉的价格将使其在民用消费领域也将具有广阔的应用前景，有望在一些新的领域中，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标、照相机甚至是机器人玩具等中低端上应用需求的产品中得到应用。9微机械陀螺的研究始于20世纪80年代，经过几十年的研究国外相关已经比较成熟，众多科研单位及公司如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学，德国DaimlerBenz公司、Bosch公司，挪威的Sensornor，日本Toyota公司，以及土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。其中Boeing公司的8mm直径DRG的最好性能为零偏重复性0.01º/h、角度随机游走0.002º/rt-hr。Sensornor公司也发布了零偏稳定性0.05º/h的产品。国外研究的目标是研制零偏稳定性优于0.01º/h的惯性级微机电陀螺，逐步取代激光陀螺和光纤陀螺等传统产品。产品。(a)框架式(b)音叉式Draper实验室的微机电陀螺结构10Bosch公司研制的轮式微陀螺结构Michigan大学研制的环式微陀螺结构10（a）双质量音叉式（b）四质量摆式结构（c）盘式谐振结构加州大学Irvine分校研制的微机电陀螺结构11我国的MEMS技术研究工作起步较晚，但正积极开展研究，国家已经投入巨资用于MEMS陀螺技术的研究。目前主要的科研单位有清华、北大、中科院上海微系统所、东南大学、国防科大、哈工大等多家单位，经过十多年的努力，在基础理论、加工技术和工程应用等方面的研究已取得了明显的进步。但不可否认，与国外差距仍然较大，高性能微机械陀螺少有商业化产品。（a）振动轮式结构（b）双质量块陀螺结构北京大学研制的微机械陀螺仪12（a）振动轮式结构（b）双解耦Z轴体硅陀螺结构东南大学研制的微机械陀螺仪（a）振动轮式结构（b）线振动解耦陀螺结构清华大学研制的微机械陀螺仪132、MEMS陀螺仪基本知识MEMS陀螺仪分类及基本结构MEMS陀螺仪基本原理MEMS陀螺仪工艺方法MEMS陀螺仪制造技术难点MEMS陀螺仪设计流程及工具14微机械陀螺的基本原理是利用柯氏力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。柯氏加速度是动参系的转动与动点相对动参系运动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对速度矢量。判断方法按照右手旋进规则进行判断ωVac15ωyxacV假如质点以非常快的速度沿转盘径向做简谐振动，利用右手旋进准则可判断出，质点将在转盘上不停地沿垂直于简谐振动方向和转盘角速度两方向垂直的第三方向振动，利用这一原理就可制作出微机械陀螺（右图为电磁驱动共振隧穿效应检测的微机械陀螺结构）。16MEMS陀螺仪驱动及检测原理左图为清华大学2004年提出的数字化测控电路原理图17微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。微机械陀螺分类按振动结构按材料按加工方式旋转振动结构线性振动结构振动盘结构陀螺旋转盘结构陀螺正交线振动结构非正交线振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构加速度计振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构单晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料体微机械加工表面微机械加工LIGA(光刻、电铸和注塑)18微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。微机械陀螺分类按振动结构按材料按加工方式旋转振动结构线性振动结构振动盘结构陀螺旋转盘结构陀螺正交线振动结构非正交线振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构加速度计振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构单晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料体微机械加工表面微机械加工LIGA(光刻、电铸和注塑)表面工艺结构体硅工艺结构19微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。微机械陀螺分类按驱动方式按检测方式压电式静电式电磁式压电检测电容检测压阻式检测光学检测隧道效应检测按工作模式速率陀螺速率积分陀螺闭环模式开环模式全角模式20微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。微机械陀螺分类按驱动方式按检测方式压电式静电式电磁式压电检测电容检测压阻式检测光学检测隧道效应检测按工作模式速率陀螺速率积分陀螺闭环模式开环模式全角模式技术指标电容式压电式压阻式隧道效应式光学阻抗高高低高\电负载影响非常大大小小小尺寸大小中等小大温度范围非常宽宽中等中等宽线性度误差高中等低高低有无阻尼有无有有无灵敏度高中等中等高很高电路复杂程度高中等低高高成本高高低中高交叉轴敏感度主要取决于机械设计，而非转导作用部分检测方式的MEMS陀螺性能对比22结构设计原则工艺先行原则结构最优原则尺寸可行性精度可行性温度兼容性腐蚀兼容性工艺兼容性工艺重复性满足环保要求原理最优化尺寸最优化形状最优化结构设计原则工艺先行原则结构最优原则尺寸可行性精度可行性温度兼容性腐蚀兼容性工艺兼容性工艺重复性满足环保要求原理最优化尺寸最优化形状最优化结构设计理论分析仿真分析结构设计理论分析仿真分析结构设计振动模态刚度设计振动模态频率设计振动模态阻尼设计振动模态Q值设计驱动模态特性设计检测模态特性设计驱动刚度设计检测刚度设计驱动频率设计检测频率设计驱动方向阻尼设计检测方向阻尼设计驱动模态Q值设计检测模态Q值设计驱动力设计驱动位移设计检测位移设计结构灵敏度设计检测应力设计结构设计振动模态刚度设计振动模态频率设计振动模态阻尼设计振动模态Q值设计驱动模态特性设计检测模态特性设计驱动刚度设计检测刚度设计驱动频率设计检测频率设计驱动方向阻尼设计检测方向阻尼设计驱动模态Q值设计检测模态Q值设计驱动力设计驱动位移设计检测位移设计结构灵敏度设计检测应力设计结构设计方法结构设计相关内容作用：进行结果的相互对比、验证与校核23有限元软件静态分析优化设计模态分析瞬态分析谐响应分析结构应力结构参数哥氏效应振动幅值限位位移振型和频率敏感器件位置路径分析常用的有限元软件：ANSYS、COMSOL3.1MEMS陀螺仪设计流程及工具结构设计灵敏度频率匹配Q值设计初始化尺寸软件优化理论计算优化尺寸灵敏度噪声检验25结构设计灵敏度频率匹配Q值设计初始化尺寸软件优化理论计算优化尺寸灵敏度噪声检验26振动轮梳齿敏感检测电极锚点内环xyzxzy工作原理示意图zrzcrzkrycrykrzIryIy驱动轴ds敏感轴dyMdzMkzMkyM2czyMwrzMwryM_enzM2cyzM_enyM动力学模型__0  02020rzryrzrzryrzdrzryryrzryrysenzwrzrzxsenywryrzddryrydsxsIcckkcckkMMIMIIM动力学方程00()cos()dedddrzQMtI00222200000001002002()()()cos(tan90)1ddsexrzsdssdsddsdssddsQQMIQQt谐振状态下工作模态稳态解27振动轮梳齿敏感检测电极锚点内环xyzxzy工作原理示意图zrzcrzkrycrykrzIryIy驱动轴ds敏感轴dyMdzMkzMkyM2czyMwrzMwryM_enzM2cyzM_enyM动力学模型__0  02020rzryrzrzryrzdrzryryrzryrysenzwrzrzxsenywryrzddryrydsxsIcckkcckkMMIMIIM动力学方程00()cos()dedddrzQMtI00222200000001002002()()()cos(tan90)1ddsexrzsdssdsddsdssddsQQMIQQt谐振状态下工作模态稳态解02222222222z2111111zzzxxxzzxxBSQQFm灵敏度：结论：当ω=ωx=ωz时，陀螺的检测灵敏度最高。28多次重复厚膜、深刻蚀、次数少去除牺牲层，释放结构其他微加工工艺部分封装，多种测试特殊工艺保护结构测试淀积光刻刻蚀划片装架封装测试典型MEMS制造工艺流程29常用的MEMS器件加工工艺方法表面工艺*先在衬底表面生长薄膜，通过对薄膜进行光刻、刻蚀等形成结构。*优点：易于与IC集成。30常用的MEMS器件加工工艺方法(1)刻蚀浅槽GlassSi(2)表面掺杂(3)金属电极(4)阳极键合(5)硅片剪薄(6)释放结构体硅深刻蚀释放工艺体硅工艺31具体的常用MEMS器件加工工艺方法：具体的刻蚀技术主要有光刻、湿法刻蚀、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀等一般用来制作MEMS陀螺结构；主要的加工工艺有分子束外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀等技术用以加速度敏感部件及相应的电极和引线的制作；键合技术用于敏感部件与陀螺结构之间的连接。划片和封装技术用于微陀螺结构及敏感部件组合体单体分离及外部连接引线制作等，完成微陀螺基本器件制作。321、包括微机械陀螺应用在内的MEMS，力学参数较宏观情况明显变化，宏观物理定律已经不能完全对MEMS的设计、制造工艺、封装以及应用进行解释和指导。这些因素限制妨碍了微机械陀螺性能的提高[21]。2、随着MEMS传感器尺寸的缩小，敏感部件也不断缩小，传统检测效应接近灵敏度极限，限制了高性能MEMS陀螺仪的发展，新效应新原理器件亟待开发[19]。3、国内方面工艺和技术都相对落后，国外方面技术封锁限制了高性能器