MEMS微陀螺儀研究進(jìn)展_圖文

1、 MEMS微陀螺儀研究進(jìn)展成宇翔,張衛(wèi)平,陳文元,崔 峰,劉 武,吳校生(上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院微米/納米加工技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240摘要:回顧了MEM S微陀螺儀的研究進(jìn)展,簡單介紹了M EM S微陀螺儀的市場應(yīng)用。微陀螺儀是MEM S器件中非常重要的一類器件。它的運(yùn)用已經(jīng)從單純的航空領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)向汽車、消費(fèi)電子行業(yè)等低端市場,這意味著微陀螺儀除了傳統(tǒng)意義上的高精度高穩(wěn)定性的要求,也可以向低精度商品化發(fā)展。傳統(tǒng)的振動(dòng)式陀螺,由于原理的局限性和加工技術(shù)的限制,很難達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)和慣性級(jí)的要求。導(dǎo)航級(jí)集成微陀螺(NGIM G項(xiàng)目建議使用其他途徑,以減少器件的可移動(dòng)部件和降低工藝

2、難度,從而提高其精度和抗干擾能力。各種設(shè)計(jì)方法近年來層出不窮,其中懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺是目前精度最高的陀螺儀,微集成光學(xué)式陀螺也將在未來一段時(shí)間擁有巨大的研究潛力和發(fā)展空間。關(guān)鍵詞:微電子機(jī)械系統(tǒng)(M EM S;慣性傳感器;微陀螺儀;零偏漂移;角隨機(jī)游走;懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺中圖分類號(hào):TH703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-4776(201105-0277-09Research Developm ent of MEMS Micro GyroscopesCheng Yux iang,Zhang Weiping,Chen Weny uan,Cui Feng,Liu Wu,Wu Xiaosheng

3、(N ational K ey L abor ator y of N ano/M icr o F abr ication T echnolog y,Res ear chI nstitute of Micr o/N ano Science and T echnology,S hang hai J iaoT ong Univ er sity,S hanghai200240,ChinaAbstract:The r esearch progr ess of MEM S micro g yrosco pes are review ed.T he m ar ket applica tions of M E

4、MS micro gy roscopes are introduced briefly.M icro g yrosco pes play a significant role in the M EMS devices.Fro m aviation fields,its application has gradually shifted to the lo w end market,such as autom obile and consum er electronics,w hich m eans that instead of the high preci sion and stabilit

5、y,com mercializatio n is another dev elo pm ent direction.A s the limitation o f the principle and the fabr ication technolog y,the tr aditio nal vibrating gyr oscopes can har dly reach the tactical g rade and the iner tial grade.T he NGIMG pr ogr am,supported by DARPA,suggests to use other metho ds

6、 to reduce flexible components,decrease the processing difficulty and impr ove the precisio n and antijam ming capability.In the recent years,endless varieties o f designs are pro posed.T he micr o levitated ro tational gy roscope is the m ost precise g yroscope in the w or ld no w, and the MEOMS gy

7、 roscope also has a great research potential and developm ent in the future.Key words:micr o electrom echanical sy stems(M EM S;inertial sensor;m icro gy roscope;zer o bias drift;angle r ando m w alk;micro levitated rotatio nal gyr oscope收稿日期:2010-10-18基金項(xiàng)目:上海交通大學(xué)SM C優(yōu)秀青年學(xué)者計(jì)劃(T241460622;上海人才發(fā)展基金(047

8、0 引 言隨著M EMS技術(shù)的發(fā)展,慣性微陀螺儀以其尺寸小、精度高等特點(diǎn),越來越受到人們的關(guān)注。在汽車導(dǎo)航、消費(fèi)電子和移動(dòng)應(yīng)用等民用領(lǐng)域,航空航天以及現(xiàn)代和可預(yù)見的未來高科技戰(zhàn)場上擁有廣闊的發(fā)展和市場前景。根據(jù)微陀螺儀的原理不同,可以將其分為哥氏加速度效應(yīng)微振動(dòng)陀螺、流體陀螺、固體微陀螺、懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺、微集成光學(xué)式陀螺以及原子陀螺。微振動(dòng)陀螺儀是最早使用的微陀螺儀,也是目前市場上使用最多且相對(duì)較成熟的陀螺儀。但是由于原理本身的局限性和工藝加工水平的限制,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),最高接近于1 /h,實(shí)現(xiàn)高精度達(dá)到慣性級(jí)相當(dāng)困

9、難。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA的 導(dǎo)航級(jí)集成微陀螺(NGIM G 項(xiàng)目建議的實(shí)現(xiàn)途徑為:漂浮或懸浮微結(jié)構(gòu)、用于慣性傳感的原子機(jī)理、微光學(xué)技術(shù)、微流體方法、通過從未探明的原理來敏感慣性輸入的與諧振或聲學(xué)相關(guān)的微結(jié)構(gòu)、慣性敏感機(jī)構(gòu)與晶體管電路集成的技術(shù)。1 M EM S微陀螺的主要參數(shù)指標(biāo)零偏漂移、角隨機(jī)游走是確定微陀螺性能的主要指標(biāo)。當(dāng)陀螺處于零輸入狀態(tài)時(shí),陀螺的輸出信號(hào)是一個(gè)隨機(jī)函數(shù),為白噪聲和一個(gè)慢變隨機(jī)函數(shù)的疊加。設(shè)備的穩(wěn)定性由系統(tǒng)白噪聲所決定,而其慢變隨機(jī)函數(shù)可用來確定零漂或零偏穩(wěn)定性指標(biāo)。速率級(jí)和戰(zhàn)術(shù)級(jí)的陀螺只能用于測量相對(duì)短時(shí)間內(nèi)的角速度,其角隨機(jī)游走成為了限制其發(fā)展的主要

10、因素。而慣性級(jí)陀螺可以用于測量系統(tǒng)長期的表現(xiàn),零漂就成了這種陀螺的關(guān)鍵指標(biāo)。世界上已經(jīng)研發(fā)出來的微陀螺儀還沒有可以達(dá)到慣性級(jí)的表現(xiàn)。大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用也只是局限在提高速率級(jí)MEM S微陀螺的指標(biāo)。極少數(shù)的幾個(gè)組織,如美國的Draper實(shí)驗(yàn)室和JPL實(shí)驗(yàn)室等,研究成功了真正達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)的陀螺儀。不同級(jí)別陀螺的性能指標(biāo)如表11所示。表1 不同級(jí)別陀螺的性能指標(biāo)T able1P erfo rmance r equir ements of g yr oscopes w ith different classes 性能指標(biāo)速率級(jí)戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣性級(jí)零漂/( h-11010000.110<0.01隨機(jī)游走/( h

11、-1標(biāo)度因子/%0.110.010.1<0.001最大輸入角速度/( s-1501000>500>400 1ms內(nèi)承受最大沖擊/(g s103103104103帶寬/H z>70約100約100成本/$50100001000050000>100000應(yīng)用范圍 照相機(jī)、醫(yī)學(xué)儀器、游戲、汽車等商業(yè)姿態(tài)航向參考系統(tǒng)(AHRS、制導(dǎo)彈藥等商用/軍用飛機(jī)、船舶、航天器等2 各類M EM S微陀螺簡介MEM S微陀螺從作用原理上來說主要可以分為四類:哥氏加速度效應(yīng)微振動(dòng)陀螺、懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺、微集成光學(xué)式陀螺和微原子陀螺。2 1 微振動(dòng)陀螺振動(dòng)陀螺主要利用哥氏力的作用原理,把

12、輸入角速度量轉(zhuǎn)換為一種位移,然后通過電容或壓電等方式將其檢測出來。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。框架式振動(dòng)微陀螺是最早的非轉(zhuǎn)子式微機(jī)械陀螺,由美國Draper實(shí)驗(yàn)室最先提出2,如圖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月成宇翔等:M EM S微陀螺儀研究進(jìn)展 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(TFG3,如圖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)

13、級(jí)的要求。美國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,已達(dá)到的性能如下:零偏穩(wěn)定性和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性分別為10 /h 和200 10-6,角隨機(jī)游走度的典型值為0 1 /h,其中觀測到的最佳數(shù)據(jù)為0 05 /h4。該微陀螺已被H o neyw ell 公司用于生產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)。2005年,J H Yoo 等人5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2所示,整個(gè)尺寸為12mm 3mm 22mm,音叉敏感叉指的響應(yīng)速度為36m m/s 。圖1 Draper 提出的振動(dòng)式微陀螺儀Fig 1 Vibratin g gyroscopes by

14、 Draper圖2 Galfenol 音叉陀螺儀原理機(jī)及整機(jī)Fig 2 Galfenol tu ning fork gyroscope principleand entity由于在實(shí)際過程中出現(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6,如圖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 。德國的微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(H SG IMIT 基于解耦原理研究成功解耦角速度檢測器7,如圖3(b所示,這種微陀螺的偏移穩(wěn)定性達(dá)到65 /h 。2005年,加州大學(xué)歐文分校

15、設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的結(jié)構(gòu)8: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(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)和檢測機(jī)構(gòu)的對(duì)稱設(shè)計(jì)懸臂梁9,如圖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

16、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。成宇翔等:M EM S 微陀螺儀研究進(jìn)展圖3 基于解耦原理的各種微振動(dòng)式陀螺Fig 3 Vibratin g gyros copes based on decoupling principles2 2 流體陀螺與傳統(tǒng)陀螺儀相比,流體類陀螺儀由于沒有懸掛質(zhì)量塊,結(jié)構(gòu)大大簡化,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)來測量角速率的。它結(jié)構(gòu)簡單,無活動(dòng)檢測質(zhì)量,抗過載能力強(qiáng),成本

17、低,壽命長。日本立命館大學(xué)研制了一種能測量雙輸入軸角速度的氣體微陀螺10,分辨率可達(dá)0 05 /s,如圖4(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4 流體陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖Fig 4 Sch emcctic of fluid gyros copesECF(electro conjug ate fluid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

18、的流體陀螺11,如圖4(b所示,其精度較傳統(tǒng)的流體陀螺提高了兩倍。但是ECF流體陀螺所用的高電壓卻可能限制它的應(yīng)用場合,設(shè)法尋找新的ECF材料或采取其他途徑來降低所用的電壓值是ECF流體陀螺擴(kuò)大應(yīng)用場合的關(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?；诘妥杼匦缘某黧w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成宇翔等:M EM S微陀螺儀研究進(jìn)展 體的黏性力發(fā)生隨動(dòng),而是保持原來的狀態(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

19、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)檢測角速度,在原理上具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)陀螺的性能潛力,美國科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明,超流體慣性測量裝置測量地球自轉(zhuǎn)時(shí),精確度達(dá)到99 5%。美國國防部的技術(shù)評(píng)估認(rèn)為,超流體陀螺零偏穩(wěn)定性可達(dá)5 10-4 /h以上。超流體陀螺適用于各類需要高精度陀螺的場合。不過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。2 3 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

20、螺。對(duì)IDT聲表面波微陀螺的研究還處于起步階段,面臨的主要問題是IDT聲表面波傳感器的輸出電壓太低,而機(jī)電耦合系數(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H yogo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)較簡單,僅由一個(gè)帶電極的鋯鈦酸鉛(PZT長方體構(gòu)成12。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5所示。2009年,上海交通大學(xué)在國內(nèi)率先開展了該新型固態(tài)陀螺的研究,通過結(jié)構(gòu)和電路改進(jìn),以降低模態(tài)頻率,增加Q值,如

21、圖6所示。圖5 PZT壓電固態(tài)微陀螺原理Fig 5 Principle of a PZT piezoelectrical micro gyroscope圖6 上海交通大學(xué)的集中質(zhì)量PZT壓電微陀螺Fig 6 SJ TU centralized mass es PZT piezoelectrical gyr os cope2006年,美國佐治亞理工學(xué)院提出利用體聲波(BAW制造陀螺儀13。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,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

22、理工學(xué)院報(bào)出了厚度只有60 m 的BAW陀螺儀14,測試可達(dá)到的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍為500 /s,如圖7所示。2008年,Q ualtre公司取圖7 體聲波陀螺結(jié)構(gòu)示意圖Fig 7 Sch ematic of a bulk acous tic w ave gyroscope成宇翔等:M EM S微陀螺儀研究進(jìn)展 成宇翔等: M EM S 微陀螺儀研究進(jìn)展 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的 3 個(gè) BAW 單 軸 陀 螺 儀 集 成 的。 接 著 推 出 QIM U600, 包括制造 在同一芯 片上的 3 個(gè) BAW 陀螺儀和 1 個(gè)

23、三軸加速度計(jì)。 2 4 微集成光學(xué)式陀螺 微光機(jī)電陀螺 ( M OEMS 陀螺 是以 Sagnac 效應(yīng)光學(xué)陀螺原理和光學(xué)檢測技術(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。MOEM S 陀螺儀分為諧振式和干涉式兩種。 諧振式 M OEM S 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)來實(shí)現(xiàn)。國外對(duì)諧 振式 MOEM S 陀 螺已 經(jīng) 研發(fā) 了 20 余 年。其 中, 美 國 Nort hrop 公司于 1991 年研制出零偏為 10 / h 的微 型光學(xué)陀螺儀 ( MOG 4 。2000 年, 美國 H o ney w ell 公司聯(lián)合明尼蘇達(dá)大學(xué)制造了一個(gè)指

24、標(biāo)優(yōu)秀的 諧振式 MOEM S 陀螺, 其漂移穩(wěn)定性理論 上可以 達(dá)到 0 1 / h。 干涉式 M OEM S 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度的辦法增強(qiáng) Sagnac 效應(yīng), 但 MOEM S 陀螺受限于空間尺寸的微小, 如何在 有限的空間內(nèi)延長光路長度、增強(qiáng) Sag nac 效應(yīng)就 顯得尤為重要和突出。美國阿拉巴馬大學(xué)制造的陀 螺, 在 直 徑 6 5 cm 的 大 小 預(yù) 計(jì) 測 量 精 度 可 達(dá) 0 001 / h 4 。 與其他 MEM S 陀螺相比, 微光機(jī)電陀螺無運(yùn) 動(dòng)部件, 靈敏度高, 不需真空封裝, 且動(dòng)態(tài)響

25、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, 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。 2 5 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。兩者都是通過使懸浮于平衡位置的 282 M icr o

26、nanoelectronic T echnology V ol. 48 No . 5 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), 借助力矩再平衡回路來測量雙輸入軸角速度的。 2 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 Sheff ield 大學(xué) 15 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 16 。真空時(shí), 它能夠獲得約 5 000 r/ min 17 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

27、浮微陀 螺 , 如圖 8 所示, 其在空氣中轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 10 r/ m in。 圖8 Fig 8 上海交通大學(xué)研制的抗磁懸浮微陀螺 SJT U levi tat ed diam agnet ic gyroscope 實(shí)際應(yīng)用中, 電磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的電磁阻尼 和渦流生熱問題成為了該研究的瓶頸。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。 2 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

28、應(yīng), 然后即可借助力矩再平衡原理來測量雙輸入 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 靜電懸浮超導(dǎo)陀螺儀 18 引力 探 測器 B ( Gravity , 該陀螺儀在失重和低溫 - 11 P robe B , 就使用了 4 個(gè)目前世界上精度最高的 狀態(tài)下的隨機(jī)漂移率優(yōu)于 10 / h。 日本 T o kimec 公司在 2001 年研制出盤形轉(zhuǎn)子 M ay 2011 成宇翔等: M EM S 微陀螺 儀研究進(jìn)展 19 22 微陀螺, 2002 年又研制出了環(huán)形轉(zhuǎn)子的微陀螺 。 浮轉(zhuǎn)子微陀螺的研究 。

29、該課題組在控制的建模 開關(guān)懸浮 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 o kimec 公司 20 與仿真方面做了大量研究, 引入了 控制策略, 有效避免了靜電吸附現(xiàn)象。上海交通大 學(xué) 2 3 利用 UV L IGA 和 L IGA 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)

30、鍵技 術(shù)問題的研究, 采用 M EMS 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 引力, 具有開環(huán)不穩(wěn)定特性, 且多自由度閉環(huán)測控 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)勢在于, 其排除了振動(dòng)式 微陀螺所固有的正交誤差問題, 無需頻率調(diào)諧, 可 獲得較高的陀螺精度, 微轉(zhuǎn)子可以同時(shí)檢測兩軸角 速度和 三 軸 線加 速 度, 降低 了 微慣 性 測 量組 合 ( M IMU 的器件尺寸和研制成

31、本。 2 6 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相位改變的敏感性測 量慣性力。在外在勢場如重力場影響下, 原子通過 不同的干涉儀路徑受到不同勢的作用, 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)。Pr incet on 大學(xué)開發(fā)的原子核磁共振陀螺 24 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

32、高水平, 如圖 9 所示。2009 年 8 月, 該 公司給出了基于此原理的產(chǎn)品微陀螺 MESAG 102, 該產(chǎn)品將馬上投入市場使用。 TM 圖9 日本 T okimec 公司研制的直徑 1 5 mm 環(huán)形轉(zhuǎn) 子陀螺芯片及其封裝 Fig 9 Ch ips and it s en cap sulat ion of a 1 5 mm ring sh ape r ot at ing gyros cope by Toki mec Inc 2006 年 4 月, 在 DARPA 螺 導(dǎo)航級(jí) 集成微 陀 21 項(xiàng)目的資助下, 美國 Archangel syst ems 公司 的 開始了靜電懸浮環(huán)形轉(zhuǎn)子微

33、陀螺的研發(fā) 。該項(xiàng) 目采用標(biāo)準(zhǔn) MEM S 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)檢測原理來提高分辨率和精度, 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/ m in 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 2 h, 還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá) 到該項(xiàng)目的預(yù)期。 2001 年, 英國南安普敦大學(xué)也開始了靜 電懸 2011年 5月 靈敏度達(dá)到 0 002 / h, 長期漂 移為 0 04 / h。目 前, 美國 Darper 等研

34、究機(jī)構(gòu)正在開展這類陀螺的 小型化工作。 3 市場應(yīng)用 近幾年來, 微慣性技術(shù)在消費(fèi)電子中的應(yīng)用也 大幅度 提 高, 預(yù)計(jì) 今 后 幾年 的 年增 長 率 要超 過 100% 。目前市場上被運(yùn)用最多的還是單軸或雙軸 陀螺儀, 例 如 ADI 公 司 生 產(chǎn) 的 微 振 動(dòng) 陀 螺 儀, 微納電子技術(shù)第48卷第5期 283 成宇翔等: M EM S 微陀螺儀研究進(jìn)展 NEC、松下生產(chǎn)的壓電式陀螺等都是單軸陀螺儀, 意法半導(dǎo)體 生產(chǎn)了 各個(gè)量 程的 單軸 雙軸 陀螺儀, Invensense 生產(chǎn)的雙軸陀螺儀每個(gè)價(jià)格低于 10 美 元。陀螺儀被用于數(shù)碼攝像機(jī)以穩(wěn)定圖像, 用雙軸 動(dòng)態(tài)傳感器去除震動(dòng)和

35、晃動(dòng), 其成為了松下的各種 頂級(jí)攝像機(jī)的特點(diǎn)之一, 也被應(yīng)用于高端筆記本電 腦的防衰落系統(tǒng)上。但是對(duì)于手機(jī)行業(yè)陀螺儀的價(jià) 格還是太貴了, 它們 可以接受的報(bào)價(jià) 在 5 美 元以 內(nèi), 這個(gè)價(jià)格才可以使得微陀螺儀代替加速度計(jì)更 多地進(jìn)入手機(jī)圖片旋 轉(zhuǎn)、GPS 導(dǎo)航以及硬盤 保護(hù) 的應(yīng)用, 當(dāng)然分辨率要求也較低, 為 5 10 / s ( 在 汽車中 0 1 1 / s 。 2009 年 5 月 27 日, Inv ensense 公司發(fā)布了針 對(duì)游戲和三維遙控器市場的第一個(gè)六軸運(yùn)動(dòng)處理方 案 , 其集成了由一個(gè)單軸陀螺儀、一個(gè) 雙軸陀 螺儀和一個(gè)三軸加速度計(jì)組成的慣性測量單元, 其 動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍

36、可以達(dá)到 2 000 / s, 成為世界上第一 個(gè)基于 MEM S 的六軸運(yùn)動(dòng)處理方案, 為消費(fèi)電子 市場提供了最小、最可靠的慣性測量元件, 將被應(yīng) 用在游戲控制器和三維音頻視頻遙控器中, 更好地 代替現(xiàn)在普遍使用的三軸加速度計(jì), 提供更高精度 的三維運(yùn)動(dòng)跟蹤。 近年來, 挪威 Sensonor 公司連續(xù)推出 了幾款 高精度、超 高 精度 的 蝴 蝶 形 振 動(dòng) 微 陀 螺, 其 中 ST IM202 零偏穩(wěn)定性理論上為 0 5 / h。 上海的深迪半導(dǎo)體有限公司作為我國首家設(shè)計(jì) 生產(chǎn)商用陀螺儀系列慣性傳感器的 M EM S 芯片的 公司, 成功 推出 了 M EM S 陀螺 儀 SSZ 03

37、0CG 26 , 外形尺寸 5 0 m m 8 mm 1 8 mm , 可運(yùn)用在手 機(jī)、攝像機(jī)和空中鼠標(biāo)等消費(fèi)電子領(lǐng)域。 25 成本化和商業(yè)化的道路前進(jìn)。傳統(tǒng)的振動(dòng)陀螺目前 依然是研究的熱點(diǎn), 研究主要集中于解耦以提高其 魯棒性, 但是提高器件性能的效果并不明顯。微集 成光學(xué)式陀螺儀被證明擁有極高的精度和穩(wěn)定性, 目前的研究重心在于如何在微小空間內(nèi)最大化地延 長光路。懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺是目前性能最好的微陀 螺儀, 代表了目前該領(lǐng)域的最高水平, 但技術(shù)較為 復(fù)雜。原子陀螺在理論上來講性能最好, 但無疑復(fù) 雜度最高, 目前仍缺乏良好的應(yīng)用手段。 參考文獻(xiàn): 1 YA ZDI N , A YA ZI

38、F, NA JAFI K. Micromachined inert ial sensors J . Proceedings of the IEEE, 1998, 86 ( 8 : 1640- 1659. 2 G R EIFF P, BO X EN HO R N B, K IN G T, et al . Silicon mo n ol it hic micr om ech anical gyroscope C / / Proceedings of t he 1991 Int ernat ional Con feren ce on Solid St at e Sen sors and A c t

39、uat ors. S an Francis co, CA , U SA , 1991: 966- 968. 3 BERN S TEIN J, CH O S , K IN G A T, et al. A microma chin ed comb drive t unin g f ork rat e gyr os cope C / / Pro ceedings of M icro El ect ro M ech anical Syst ems. Fort Lauder dal e, FL, 1993: 143- 148. 4 LIU K , ZH A N G W P, CH EN W Y , et

40、 al. T he development of micr o gyroscop e t ech nology J . Journal of M icromecha nics and M icroengineerin g, 2009, 19 ( 11 : 113001. 5 Y O O J H , M A R SCH N ER U , FLA TA U A B. Prelim inary G alf enol vibrat ory gyro s ens or design C / / Pr oceedings of S PIE. San Dieg o, CA , U SA , 2005, 57

41、64: 111- 119. 6 A Y A ZI F, N A JA FI K . A H A RPS S poly silicon vibrat ing rin g gyroscope J . M icroelect romechan ical S yst ems , 2001, 10 ( 2 : 169- 179. 7 G EIGER W , BU T T W U , DEW XH J, et al. Decoupl ed mi crogyroscopes an d th e design principl e D A V ED J . Sensors A ct uat ors: A ,

42、2002, 95 ( 2 : 239- 249. 8 A CA R C, SH K EL A M . St ructu rall y decou pled microma chin ed gyros copes w it h post rel ease capacit ance enhancement J . Journal of M i cromechanics and M icroengin eering, 2005, 15 ( 5 : 1092- 1101. 9 A LPER S E, S IL A Y K M , A KIN T . A low cost rat e gr ade ni

43、ckel m icro gyroscope J . 2006, 132 ( 1 : 171- 181. 10 V an T H A N H D, DZU N G V D , T A TS U O S, et al. Deve lopment of a dual axis t h ermal con vect ive gas gy roscope J . Journ al of M icromechanics and M icroen gineering, 2006, 16 ( 7 : 1301- 1306. 11 K EN JIR O T , S HIN ICH I Y , M A M O R

44、U S, et al. A li qu id rat e gyroscope us ing el ect ro conjugat e f lu id J . Sensors an d A ct uat ors: A , 2009, 149 ( 2 : 173- 179. Sensors and A ct uat ors: A, 4 結(jié) 語 MEMS 微陀螺技術(shù)從 20 世紀(jì) 80 年代開始, 經(jīng) 過數(shù)十年的研究, 一系列各種類型各種原理的微陀 螺儀無論在結(jié)構(gòu)、精度還是成本上都有了巨大的發(fā) 展。然而, 由于 MEMS 工藝本身加工精度的限制以 及設(shè)計(jì)原理本身的局限性, 使得目前的技術(shù)還沒有 取得

45、一個(gè)質(zhì)的飛躍, 依然停留在速率級(jí)上難以進(jìn)步。 微陀螺技術(shù)下一步的發(fā)展應(yīng)該從兩個(gè) 方面著 手: 一是通過技術(shù)改革原理的創(chuàng)新進(jìn)一步提高器件 的精度和穩(wěn)定性; 二是在現(xiàn)有器件的基礎(chǔ)上沿著低 284 M icr onanoelectronic T echnology V ol. 48 No . 5 M ay 2011 成宇翔等: M EM S 微陀螺 儀研究進(jìn)展 12 M A EN A K A K , K OH A R A H , N ISH IM U RA M , et al. N ovel solid micro gyroscope C / / Pr oceedings of t he 19t h

46、 IEE E In t ernat ional Con feren ce on M icro Elect ro M echanical S yst em s. Ist anbul , Tur key, 2006: 634- 637. 22 K R A FT M , FA R O OQ U I M M , E V A N S A G R. M od ellin g and design of an el ectr os tat ically l evit at ed disk J . J ou rnal of M icr om ech ani cs and M icroengineerin g,

47、 2001, 423- 427. 11 ( 4 : 13 JOH A R I H, A Y A ZI F. Capacit ive bulk acou st ic w ave sil icon di sk gyroscop es C / / Proceedings of t h e Int ernat ional E lect ron D evices M eet ing. San Franci sco, CA , 2006: 513516. 23 CU I F, CHE N W Y, S U Y F, et al . D esign of elect rost ati cally l evi

48、t at ed mi cromachined rotat ional gyr os cope based on U V LIG A t echnology C / / Proceedin gs of SPIE . Beijin g, Chin a, 2004, 5641: 264- 275 14 SU N G W K , D AL A L M . A 3 M Hz spoke gyrospope w it h wi de ban dwidt h and larg e dynam ic range C / / Pr oceedings of t he IE EE Int ern at ional

49、 C onf erence on M icro Elect ro M e chanical Syst em s. H on gkong, China, 2010: 104- 107. 24 K O RN A CK T W, G H OS H R K , RO M A LIS M V . N uclear spin gyroscope based on an at omi c magnet omet er J . Phys R ev Let t , 2005, 95 ( 23 : 230801- 230804. 15 W ILLIA M S C B, SH EA RW OO D C, M ELLO R P H , et al. M od eling and test ing of a fri ct ion les s levit at ed micromot or J . S ens or s and act uat ors: A , 1997, 61 ( 1/ 2/ 3 : 469473. 25 曹志良. 世界上第一個(gè)六軸 M E M S 運(yùn)動(dòng)傳感處理方案 EB/ O L . ( 2009- 05- 30 2010- 10- 15 . ht