微細(xì)加工與納米技術(shù)課程項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

1、微細(xì)加工與納米技術(shù)課程項(xiàng)目方案設(shè)計(jì) 名目一、微機(jī)械陀螺儀爭(zhēng)辯背景3 （一）概念簡(jiǎn)介3 （二）MEMS陀螺儀爭(zhēng)辯歷史及進(jìn)呈現(xiàn)狀3 （三）爭(zhēng)辯目的4 （四）爭(zhēng)辯方法5 （五）爭(zhēng)辯意義8二、微機(jī)械陀螺儀原理與結(jié)構(gòu)10（一）MEMS陀螺儀基本原理10（二）MEMS陀螺儀分類及結(jié)構(gòu)12三、微機(jī)械陀螺儀設(shè)計(jì)及制造13 (一) MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)流程13（二）MEMS陀螺儀工藝方法14（三）MEMS陀螺儀技術(shù)難點(diǎn)16四、微機(jī)械陀螺儀測(cè)試及應(yīng)用16（一）MEMS陀螺儀測(cè)試內(nèi)容及手段16（二）MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)分析及方法17（三）MEMS陀螺儀應(yīng)用案例171、一些微機(jī)械陀螺儀的典型應(yīng)用202、微機(jī)械陀螺儀在新型

2、鼠標(biāo)或遙控器中的應(yīng)用20五、關(guān)于微機(jī)械陀螺儀進(jìn)展的思考21六、小結(jié)與體會(huì)21一、微機(jī)械陀螺儀爭(zhēng)辯背景（一）概念簡(jiǎn)介微陀螺儀是屬于微機(jī)械的一種。微機(jī)械MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子機(jī)械系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的 21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和把握的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)。微機(jī)械陀螺儀屬于一種振動(dòng)式角速率傳感器，用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度或旋轉(zhuǎn)角，作為重要的慣性器件，具有

3、質(zhì)量輕、體積小、成本低、牢靠性好、穩(wěn)定性高、功耗低、精度高、性能優(yōu)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)把握、航空航天、汽車和消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。微機(jī)械陀螺儀的主要參數(shù)微機(jī)械陀螺儀的重要參數(shù)包括：辨別率（Resolution）、零角速度輸出、靈敏度（Sensitivity）和測(cè)量范圍，這些參數(shù)是評(píng)判微機(jī)械陀螺儀性能的重要標(biāo)志，同時(shí)也打算了該陀螺儀的應(yīng)用環(huán)境。辨別率是指陀螺儀能夠檢測(cè)的最小的角速度，該參數(shù)和零角速度輸出其實(shí)是由陀螺儀的白噪聲打算，白噪聲一般用°/s/Hz來(lái)表征，LY530AL的白噪聲只有：0.1°/s/Hz。這三個(gè)參數(shù)著重說(shuō)明該陀螺的內(nèi)部性能和其抗干擾力量，而對(duì)

4、使用者而言，靈敏度更有實(shí)際的意義，其單位是mV/°/s，由此用戶可選用適合的ADC來(lái)與之匹配。測(cè)量范圍是指陀螺儀能夠測(cè)量的最大的角速度，單位是°/s，不同的應(yīng)用對(duì)陀螺儀的測(cè)量范圍有不同的要求。（二）MEMS陀螺儀爭(zhēng)辯歷史及進(jìn)呈現(xiàn)狀微機(jī)械陀螺的爭(zhēng)辯始于20世紀(jì)80年月，經(jīng)過(guò)幾十年的爭(zhēng)辯國(guó)外相關(guān)已經(jīng)比較成熟，眾多科研單位及公司如美國(guó)Draper試驗(yàn)室、ADI公司、Berkeley高校，德國(guó)Daimler Benz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬蘭等國(guó)家4-9，已有商業(yè)化產(chǎn)品。我國(guó)的MEMS 技術(shù)爭(zhēng)辯工作起步較晚，但正樂(lè)觀開(kāi)展?fàn)庌q，國(guó)家已經(jīng)投入巨資用于M

5、EMS陀螺技術(shù)的爭(zhēng)辯。目前主要的科研單位有清華、北大、中科院上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦高校、哈工大等多家單位10-15 ，經(jīng)過(guò)十多年的努力，在基礎(chǔ)理論、加工技術(shù)和工程應(yīng)用等方面的爭(zhēng)辯已取得了明顯的進(jìn)步。但不行否認(rèn)，與國(guó)外差距仍舊較大，高性能微機(jī)械陀螺少有商業(yè)化產(chǎn)品。（三）爭(zhēng)辯目的微機(jī)械MEMS這種微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠依據(jù)所獵取的信息自主地或依據(jù)外部的指令實(shí)行行動(dòng)。它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)。微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）是近年來(lái)

6、進(jìn)展起來(lái)的一種新型多學(xué)科交叉的技術(shù)，該技術(shù)將對(duì)將來(lái)人類生活產(chǎn)生革命性的影響。它涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。微機(jī)械的尺寸一般都是在厘米級(jí)別的，有的甚至已經(jīng)到了毫米級(jí)別。由此可見(jiàn)，微機(jī)械的加工以及制造時(shí)格外困難的。如今，完全封裝過(guò)后的微陀螺儀的最小尺寸已經(jīng)到了1.5mm左右，甚至更小。那么，要加工如此微小的零件，對(duì)于機(jī)械裝備、機(jī)械技術(shù)以及加工人員的考驗(yàn)是格外大的。而且，不像是傳統(tǒng)一般零件加工，可以消滅一點(diǎn)點(diǎn)的誤差。對(duì)于如此之小的微型機(jī)械，一旦加工之中消滅了一些錯(cuò)誤，即使是偏離一微米，對(duì)于微陀螺儀來(lái)說(shuō)，都是極大的錯(cuò)誤。在這樣微細(xì)加工過(guò)程之中，由于涉及到的尺寸實(shí)在是太小了。所

7、以，微機(jī)械的加工過(guò)程之中，生產(chǎn)人員的技術(shù)基本上可以忽視不計(jì)。但是，在另一方面，為機(jī)械的加工對(duì)于生產(chǎn)車間的科技程度、清潔度等等要求就格外之高。微機(jī)械的加工最主要的還是要依靠電腦把握的高科技機(jī)械來(lái)完成，人的作用不過(guò)是維護(hù)機(jī)械，或者是檢查進(jìn)度，發(fā)覺(jué)問(wèn)題。所以，微陀螺儀的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程以及加工工藝的編排，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程之中都是重中之重。一旦，微陀螺儀的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程以及加工工藝的編排消滅問(wèn)題，不管是哪個(gè)環(huán)節(jié)消滅了問(wèn)題，也不管是這個(gè)環(huán)節(jié)多么微小，整個(gè)生產(chǎn)狀況都會(huì)消滅嚴(yán)峻的問(wèn)題。假如是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)消滅了問(wèn)題，那么整個(gè)生產(chǎn)都要被打斷，然后重新設(shè)計(jì)微陀螺儀，重新布置加工過(guò)程，重新編排加工工藝。假如是制造過(guò)程消滅了

8、問(wèn)題，那么多半是機(jī)械質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，或者是機(jī)械所處的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)不夠。同樣的，只有購(gòu)置新的加工機(jī)械，或者重新處理加工車間的問(wèn)題。假如是加工工藝消滅了問(wèn)題，那么就需要重新編排加工工藝。不管是哪一種消滅了問(wèn)題，對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都是一種嚴(yán)峻的損失，將會(huì)消耗大量的精力去排查檢驗(yàn)，中間還會(huì)造成大量的財(cái)產(chǎn)損失。所以，對(duì)于微陀螺儀的爭(zhēng)辯目的，就是削減生產(chǎn)損失，增加生產(chǎn)成功率，削減生產(chǎn)廢品率，保證投資得到良好的回報(bào)。（四）爭(zhēng)辯方法由于微陀螺儀的加工，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工，所以，微陀螺儀的生產(chǎn)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程以及加工工藝的編排都與其余的機(jī)械生產(chǎn)大大不同。重中之重就是微陀螺儀的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的陀螺儀主要是利用角動(dòng)量守恒原理，

9、因此它主要是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，它的轉(zhuǎn)軸指向不隨承載它的支架的旋轉(zhuǎn)而變化。但是微機(jī)械陀螺儀的工作原理不是這樣的，由于要用微機(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)可不是一件簡(jiǎn)潔的事。微機(jī)械陀螺儀利用科里奧利力（也叫哥氏力）旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。微陀螺儀的原理：微機(jī)械陀螺儀利用了哥氏力現(xiàn)象，其原理如圖1所示。當(dāng)圖中的物體沿X軸做周期性振動(dòng)或其他運(yùn)動(dòng)時(shí)，并且XY坐標(biāo)系沿Z軸做角速度為z旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)在該物體上產(chǎn)生一個(gè)沿Y軸方向的哥氏力，其矢量可按下式計(jì)算。式中：F(t)是哥氏力，m是該物體的質(zhì)量，Z是坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的角速度，是該物體的矢量速度。微陀螺儀基本上就是利用這個(gè)原理制造成的，

10、不同的微陀螺儀，進(jìn)行感應(yīng)測(cè)算的零件材料和方法是不同的。進(jìn)行了微陀螺儀設(shè)計(jì)之后，就需要對(duì)微陀螺儀進(jìn)行驗(yàn)算或者測(cè)試，保證微陀螺儀在各種各樣需要的環(huán)境之下都能牢靠運(yùn)行，同時(shí)還能保證足夠的感應(yīng)精度。最主要的是，微陀螺儀要有足夠的耐用度，沒(méi)有足夠的耐用度，微陀螺儀就是一個(gè)雞肋。到底微陀螺儀實(shí)在是太小了，更換的時(shí)候確定格外困難，所以，必需要有足夠的耐用度。所以，微陀螺儀的爭(zhēng)辯方法，基本上可以概括為做試驗(yàn)。利用各種不同的材料和感應(yīng)方法，首先做出各種不同種類的微陀螺儀，然后在各個(gè)不同的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)他們進(jìn)行橫向比較，一點(diǎn)點(diǎn)的改進(jìn)，更換材料，保證微陀螺儀的質(zhì)量不斷上升。完成了設(shè)計(jì)之后，微陀螺儀就進(jìn)入了加工工

11、藝編排過(guò)程。微陀螺儀的加工工藝編排是格外重要的，沒(méi)有良好的加工工藝，對(duì)于微陀螺儀這樣的精密儀器，是生產(chǎn)不出來(lái)的。微陀螺儀由于是微機(jī)械，所以加工使用的機(jī)械都是高科技產(chǎn)品，設(shè)備昂貴。編排加工工藝的時(shí)候，必需要保證完善無(wú)缺，否則不但會(huì)損失材料，還有可能造成加工機(jī)械的破壞損失，這就是大禍?zhǔn)铝恕ＮC(jī)械加工的時(shí)候，對(duì)于車間的溫度、氣壓、空氣的清潔度、加工人員的防護(hù)度都有極高的要求，務(wù)必做到嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。否則生產(chǎn)過(guò)程之中就會(huì)造成極大的損失，以后處理起來(lái)也會(huì)格外困難。微機(jī)械陀螺儀依據(jù)驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)方式分為四種：靜電驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)；電磁驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)；電磁驅(qū)動(dòng)，壓阻檢測(cè)；壓電驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)。其中靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢

12、測(cè)的陀螺儀設(shè)計(jì)最為常見(jiàn)，并已有部分產(chǎn)品已研制成功。就目前已研制成功的微機(jī)械陀螺儀來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)有以下兩種：音叉式結(jié)構(gòu)，它利剛線振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)：雙框架結(jié)構(gòu)，它利用角振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。雙框架角振動(dòng)微機(jī)械陀螺儀研制較早，雖制作工藝簡(jiǎn)潔，但音義式線振動(dòng)微機(jī)械陀螺儀的靈敏度優(yōu)于雙框架角振動(dòng)微機(jī)械陀螺儀。一個(gè)優(yōu)秀的微陀螺儀，不肯定是最有用的微陀螺儀。微陀螺儀的生產(chǎn)，不僅僅是關(guān)系到了微陀螺儀的緊密程度，還包括有用程度。未脫落的有用程度包括很多方面：一，成本。成本是機(jī)械加工生產(chǎn)過(guò)程之中最關(guān)鍵的因素，基本上九成以上的加工手段都是在削減生產(chǎn)成本。不斷地降低生產(chǎn)成本是機(jī)械加工行業(yè)的永恒話題。同樣，生產(chǎn)微陀螺儀也

13、必需考慮到生產(chǎn)成本，否則生產(chǎn)出來(lái)的微陀螺儀賣不出去，那到時(shí)候就虧大了二，生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)單程度。生產(chǎn)工藝的簡(jiǎn)單程度也關(guān)系到了生產(chǎn)成本。不過(guò)，我在這里還是要提出來(lái)說(shuō)一下。不同的微陀螺儀，生產(chǎn)的工藝差別也很大，制作的難易程度也就不同。生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)潔的微陀螺儀，在生產(chǎn)的時(shí)候成功率就會(huì)高很多，對(duì)于材料的鋪張很少，產(chǎn)生的利潤(rùn)也就很高，單位利潤(rùn)對(duì)于機(jī)械的磨損什么的也就很少。生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的微陀螺儀，成功率也就會(huì)相應(yīng)的削減，產(chǎn)生的利潤(rùn)也就削減，得不償失。三、微陀螺儀的靈敏度。微陀螺儀的靈敏度是微陀螺儀的最重要的標(biāo)志之一，也是微陀螺儀的應(yīng)用范圍寬敞與否的標(biāo)志。靈敏度高的微陀螺儀，應(yīng)用的范圍也就越加廣泛，在各種高科技產(chǎn)

14、品之中都可以找到一席之地。但是，靈敏度低的微陀螺儀，在有的范圍就不能夠被應(yīng)用。微陀螺儀的生產(chǎn)，要考慮到成本，加工的難易程度，靈敏程度。假如是運(yùn)用在不需要很高的靈敏度的地方，比如說(shuō)是手機(jī)、平板電腦什么的，那么微陀螺儀的制造就不需要很高的成本，靈敏度足夠使用就行了。但是在運(yùn)用到衛(wèi)星、機(jī)器人等等尖端科技上面的時(shí)候，就需要足夠的靈敏度，這個(gè)時(shí)候就不要考慮成本了。一句話，按需爭(zhēng)辯，按需生產(chǎn)。（五）爭(zhēng)辯意義現(xiàn)如今，微機(jī)械已經(jīng)進(jìn)展到了一個(gè)極高的地位。在各種高科技應(yīng)用領(lǐng)域之中，微陀螺儀都能夠找到自己的位置。所以微陀螺儀的設(shè)計(jì)爭(zhēng)辯已經(jīng)到了一個(gè)極度渴求的地步了！微陀螺儀的爭(zhēng)辯也是歷史潮流的推動(dòng)、社會(huì)物質(zhì)的需求所造

15、成的。首先，陀螺儀的進(jìn)展歷史如下：陀螺的原意為高速旋轉(zhuǎn)的剛體,而現(xiàn)在一般將能夠測(cè)量相對(duì)慣性空間的角速度和角位移的裝置稱為陀螺。陀螺是一種即使無(wú)外界參考信號(hào)也能探測(cè)出運(yùn)載體本身姿勢(shì)和狀態(tài)變化的內(nèi)部傳感器,其功能是敏感運(yùn)動(dòng)體的角度、角速度和角加速度。陀螺儀有兩大特性,即定軸性和進(jìn)動(dòng)性。利用這兩個(gè)特性就可在導(dǎo)彈等運(yùn)載器的飛行過(guò)程中建立不變的基準(zhǔn),從而測(cè)量出運(yùn)動(dòng)體的姿勢(shì)角和角速度。同時(shí)由加速度計(jì)測(cè)出其線加速度,經(jīng)過(guò)必要的積分運(yùn)算和坐標(biāo)變換,確定彈(箭)相對(duì)于基準(zhǔn)坐標(biāo)系的瞬時(shí)速度和位置。也就是說(shuō),可以利用陀螺的特性建立一個(gè)相對(duì)慣性空間的人工參考坐標(biāo)系,通過(guò)陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)出運(yùn)載器(包括火箭、導(dǎo)彈、潛艇

16、、遠(yuǎn)程飛機(jī)、宇航飛行器等)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)信號(hào),經(jīng)計(jì)算機(jī)綜合計(jì)算,并指令姿勢(shì)把握系統(tǒng)和推動(dòng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器的完全自主導(dǎo)航。慣性制導(dǎo)技術(shù)的第一次應(yīng)用是在其次次世界大戰(zhàn)時(shí)德國(guó)的V22火箭上。20世紀(jì)60年月后,美、蘇爭(zhēng)霸,擴(kuò)充軍備,大力進(jìn)展慣性制導(dǎo)技術(shù)?，F(xiàn)代導(dǎo)彈、宇航飛行器等多接受慣性制導(dǎo)的方法。1970年,我國(guó)人造地球衛(wèi)星放射成功,其中也應(yīng)用了慣性制導(dǎo)技術(shù)。20世紀(jì)90年月的海灣戰(zhàn)斗中,法國(guó)的AS230激光制導(dǎo)空對(duì)地導(dǎo)彈命中率95%,美國(guó)的斯拉姆導(dǎo)彈則制造了“百公里穿楊”的記錄。為攻擊一座水電站,一架A26飛機(jī)在116km的距離上,放射了一枚斯拉姆導(dǎo)彈,而四周另一架A27飛機(jī)放射的其次枚導(dǎo)彈

17、,竟穿過(guò)第一枚導(dǎo)彈打開(kāi)的墻洞擊中目標(biāo)。自1910年首次用于船載指北陀螺羅經(jīng)以來(lái),陀螺已有近100年的進(jìn)展史,進(jìn)展過(guò)程大致分為4個(gè)階段:第一階段是滾珠軸承支承陀螺馬達(dá)和框架的陀螺;其次階段是20世紀(jì)40年月末到50年月初進(jìn)展起來(lái)的液浮和氣浮陀螺;第三階段是20世紀(jì)60年月以后進(jìn)展起來(lái)的干式動(dòng)力撓性支承的轉(zhuǎn)子陀螺;目前陀螺的進(jìn)展已進(jìn)入第四個(gè)階段,即靜電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和振動(dòng)陀螺。由此可見(jiàn)，陀螺儀的進(jìn)展離不開(kāi)軍事。同時(shí)，現(xiàn)在的微陀螺儀的應(yīng)用也是大部分都應(yīng)用在了軍事上面。比如利用電子隧穿技術(shù)制造的微加速度計(jì)重6 g，靈敏度10-7g，就完全能滿足相應(yīng)的武器導(dǎo)航的要求。微機(jī)械陀螺儀是基于微機(jī)械加

18、工制造技術(shù)產(chǎn)生的高技術(shù)產(chǎn)品， 是當(dāng)代微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域和慣性領(lǐng)域新興的格外重要的分支，而MEMS及其制造技術(shù)是在微電子工藝基礎(chǔ)上進(jìn)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的前沿爭(zhēng)辯領(lǐng)域,它涉及電子工程、機(jī)械工程 材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科。它是將來(lái)低成本、 中精度、微尺寸、低功耗、抗高過(guò)載、高牢靠性慣性測(cè)量元件的進(jìn)展方向。它不僅可用于炮射導(dǎo)彈、炮彈、末敏彈藥的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和姿勢(shì)測(cè)量系統(tǒng)等軍事領(lǐng)域，同時(shí)還可以用于衛(wèi)星、飛機(jī)、汽車、工業(yè)機(jī)器人、攝影、玩具、醫(yī)療器械的方向定位和姿勢(shì)測(cè)量等 民用商業(yè)領(lǐng)域。開(kāi)展這一領(lǐng)域的爭(zhēng)辯工作，可以加速和促進(jìn)我國(guó)對(duì)新型慣性測(cè)量元件的應(yīng)用，這在高新技術(shù)

19、日益進(jìn)展的今日有格外重要的爭(zhēng)辯意義。如今，最近研制出的振動(dòng)式微機(jī)械陀螺儀重100 mg，機(jī)械器件尺寸為1.2 cm×l+1.2 cm×1.2 cm，偏置穩(wěn)定度為l10(。)h，功耗不到1 w。在將來(lái)，高科技領(lǐng)域的爭(zhēng)奪變成了各國(guó)的主戰(zhàn)場(chǎng)。而在各個(gè)高科技領(lǐng)域的爭(zhēng)奪之中，微陀螺儀占據(jù)了格外重要的地步，到底，微陀螺儀把握著各種機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)的方向。微陀螺儀的爭(zhēng)辯，已經(jīng)如何更好的生產(chǎn)微陀螺儀都是格外重要的。二、微機(jī)械陀螺儀原理與結(jié)構(gòu)（一）MEMS陀螺儀基本原理微機(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

20、輸入角速度的大小成正比，通過(guò)測(cè)量振幅實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的測(cè)量?？率霞铀俣仁莿?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。推斷方法依據(jù)右手旋進(jìn)規(guī)章進(jìn)行推斷。yx假如質(zhì)點(diǎn)以格外快的速度沿轉(zhuǎn)盤徑向做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，利用右手旋進(jìn)準(zhǔn)則可推斷出，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)19）。一種電磁驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)式的MEMS陀螺儀驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)原理開(kāi)環(huán)電磁驅(qū)動(dòng)電路原理框圖驅(qū)動(dòng)反饋檢測(cè)電路原理框圖敏感器件檢測(cè)電路原理框圖 (二) MEMS陀螺儀分類及結(jié)

21、構(gòu) MEMS 陀螺分類方式有多種。按振動(dòng)形式分: 線振動(dòng)形式和角振動(dòng)( 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)) 形式。按使用材料分:硅( 單晶和多晶) 材料陀螺和非硅材料陀螺( 石英、陶瓷等) 。按驅(qū)動(dòng)方式分: 靜電式( 平板電容和梳指電容) 、電磁式和壓電式等。按檢測(cè)方式分: 電容檢測(cè)、壓阻檢測(cè)、壓電檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)、隧道效應(yīng)檢測(cè)和頻率檢測(cè)等。按工作模式分: 速率陀螺( 開(kāi)環(huán)模式和閉環(huán)模式) 以及速率積分陀螺( 整角模式) 。按加工方式分: 體微機(jī)械加工、表面微機(jī)械加工和LIGA 等。按振動(dòng)結(jié)構(gòu)分: 框架式、梳狀音叉式、振動(dòng)輪式、振動(dòng)環(huán)式、振動(dòng)平板式、雙線振動(dòng)式和聲表面波式等。部分檢測(cè)方式的MEMS陀螺性能對(duì)比：技術(shù)指標(biāo)

22、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)載影響格外大大小小小尺寸大小中等小大溫度范圍格外寬寬中等中等寬線性度誤差高中等低高低有無(wú)阻尼有無(wú)有有無(wú)靈敏度高中等中等高很高電路簡(jiǎn)單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)作用三、微機(jī)械陀螺儀設(shè)計(jì)及制造（一）MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)流程 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法作用：進(jìn)行結(jié)果的相互對(duì)比、驗(yàn)證與校核（二）MEMS陀螺儀工藝方法常用的MEMS器件加工工藝方法：1、表面工藝* 先在襯底表面生長(zhǎng)薄膜，通過(guò)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。表面工藝2、體硅工藝(1) 刻蝕淺槽GlassSi(2) 表面摻雜(3) 金屬電極

23、(4) 陽(yáng)極鍵合(5) 硅片剪薄(6) 釋放結(jié)構(gòu) 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(lái)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、集中、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別及外部連接引線制作等，完成微陀螺基本器件制作。（三）MEMS陀螺儀技術(shù)難點(diǎn)1、包括微機(jī)械陀螺應(yīng)用在內(nèi)的MEMS，力學(xué)參數(shù)較宏觀狀況明顯變化，宏觀物理定律已經(jīng)不能完全對(duì) MEMS 的設(shè)計(jì)、制造工藝、封裝以及應(yīng)用

24、進(jìn)行解釋和指導(dǎo)。這些因素限制阻礙了微機(jī)械陀螺性能的提高。2、隨著MEMS傳感器尺寸的縮小，敏感部件也不斷縮小，傳統(tǒng)檢測(cè)效應(yīng)接近靈敏度極限，限制了高性能MEMS陀螺儀的進(jìn)展，新效應(yīng)新原理器件亟待開(kāi)發(fā)。3、國(guó)內(nèi)方面工藝和技術(shù)都相對(duì)落后，國(guó)外方面技術(shù)封鎖限制了高性能器件結(jié)構(gòu)的制作；微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)有待提高，信號(hào)處理力量仍有待加強(qiáng)。四、微機(jī)械陀螺儀測(cè)試及應(yīng)用（一）MEMS陀螺儀測(cè)試內(nèi)容及手段與其它陀螺儀一樣，完成微機(jī)械陀螺儀的陀螺體的制作只是完成了整個(gè)MEMS陀螺儀爭(zhēng)辯工作的一部分。還有陀螺儀信號(hào)提取與校準(zhǔn)，靈敏度測(cè)試、量程測(cè)試、線性度測(cè)試、固有頻率測(cè)試、抗過(guò)載力量測(cè)試等等，各種性能的測(cè)試。下面簡(jiǎn)潔就

25、固有頻率、靈敏度、辨別率、線性度等陀螺性能的測(cè)試及方法進(jìn)行介紹。固有頻率固有特性測(cè)試檢測(cè)方向Q值測(cè)試內(nèi)容 檢測(cè)敏感原理 陀螺特性測(cè)試測(cè)試線性度柯氏效應(yīng)檢測(cè)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試驗(yàn)證檢測(cè)原理（二）MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)分析及方法利用前述方法測(cè)得傳感器輸出波形或數(shù)據(jù)，取不同輸入狀況下的離散點(diǎn)，獵取批量數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab、OriginLab、Excel等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和曲線的擬合，分析陀螺儀線性度，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、變換等處理，分析陀螺的時(shí)頻域特性。與利用ANSYS、Matlab等軟件仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。（三）MEMS陀螺儀應(yīng)用案例 微機(jī)械陀螺體積小、功耗低、成本低、抗過(guò)載力量強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍

26、大、可集成化等優(yōu)點(diǎn)，可嵌入電子、信息與智能把握系統(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。隨著先進(jìn)的微電子技術(shù)的進(jìn)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)域也將具有寬敞的應(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 1、一些微機(jī)械陀螺儀的典型應(yīng)用供應(yīng)兩種接口：模擬或者數(shù)字接口（I2C/SPI），可以通過(guò)管腳5來(lái)選

27、擇所期望的接口方式。在上文中已經(jīng)提到，LY530AL需要一個(gè)鎖相環(huán)來(lái)同步驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)兩部分電路，C1、C2和R1為鎖相環(huán)所需一個(gè)二階低通濾波器。如圖中所示，LY530AL在模擬輸出端集成了兩個(gè)一階片上濾波器用來(lái)濾除高頻信號(hào)：開(kāi)關(guān)電容低通濾波器（截至頻率：400Hz）和一個(gè)有源濾波器。有源濾波器的電阻為180k，已經(jīng)集成在芯片內(nèi)部，使用時(shí)需要外接電容CACT來(lái)設(shè)置截至頻率計(jì)算方法如式4。假如上述兩級(jí)低通還不能濾除高頻噪聲，LY530AL還支持外接ROPT和COPT構(gòu)成的低通濾波器。當(dāng)LY530AL與ADC之間走線較長(zhǎng)時(shí)，其中還可加入運(yùn)算放大器增加其驅(qū)動(dòng)力量來(lái)符合ADC對(duì)輸入信號(hào)的要求。對(duì)于便攜式設(shè)

28、備而言，器件的功耗格外重要，直接影響其待機(jī)的時(shí)間。在使用其模擬接口時(shí)，LY530AL消耗電流典型值為：4.8mA，并還設(shè)置有一個(gè)PD管腳，把握其在待機(jī)時(shí)進(jìn)入掉電模式，在該模式下消耗電流小于1A。由于微機(jī)械陀螺儀內(nèi)部有振蕩的微機(jī)械部分，LY530AL還設(shè)有自測(cè)的功能，能夠自行檢測(cè)其內(nèi)部的微機(jī)械部分是否正常。在使用模擬接口時(shí)，通過(guò)ST管腳來(lái)啟動(dòng)自測(cè)功能，這時(shí)芯片內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)靜電力作用在微機(jī)械部分上，來(lái)模擬肯定的哥氏力，輸出電壓也會(huì)隨之變化。假如電壓的變化值在肯定的范圍之內(nèi)，說(shuō)明芯片內(nèi)部的微機(jī)械結(jié)構(gòu)工作正常。2、微機(jī)械陀螺儀在新型鼠標(biāo)或遙控器中的應(yīng)用STM32-PRIMER2是STM最新的STM3

29、2開(kāi)發(fā)工具，如圖所示，其配置了128×160像素的彩色觸摸屏顯示器、方向把握按鍵、USB接口、外部擴(kuò)展連接器、MEMS加速度傳感器等，通過(guò)內(nèi)置的開(kāi)源CircleOS軟件框架，用戶可以輕松地管理全部組件。為支持更多的外設(shè)，STM32-PRIMER2供應(yīng)了20針的擴(kuò)展連接器，其中包括一個(gè)UART接口、SPI、音頻I2S接口以及ADC輸入接口等，如圖7所示。 同時(shí)其接受了STM公司的高精度加速度傳感器LIS3LV02DL，加速度辨別率可達(dá)到1mg。為驗(yàn)證LY530AL的性能，通過(guò)STM32-PRIMER2的20針的擴(kuò)展連接器，構(gòu)建如圖8所示的測(cè)試系統(tǒng)。該評(píng)估系統(tǒng)無(wú)線通訊部分接受STM的藍(lán)牙

30、收發(fā)模塊GS-BT2416C2通過(guò)UART接口和主處理器STM32F103VET6進(jìn)行通訊；接受了兩顆LY530AL分別檢測(cè)Yaw和Pitch上的轉(zhuǎn)動(dòng)，一顆水平放置，另一顆垂直主板放置，分別通過(guò)SPI接口和主處理器進(jìn)行通訊；三軸的加速度傳感器LIS3LV02DL用來(lái)檢測(cè)遙控器在XYZ三個(gè)軸上的水平移動(dòng)，主處理器STM32F103VET6負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理。該評(píng)估系統(tǒng)經(jīng)藍(lán)牙與筆記本相連接進(jìn)行驗(yàn)證，其具有很好的靈敏度和響應(yīng)速度，在使用過(guò)程中不存在光標(biāo)漂移現(xiàn)象，完全可以取代傳統(tǒng)的鼠標(biāo)。再與機(jī)頂盒連接測(cè)試時(shí)，相較于現(xiàn)有簡(jiǎn)單的多按鍵遙控器，具有更好的直觀性，只需要利用3至5個(gè)按鍵，就可以對(duì)選單名目進(jìn)行

31、操控。五、關(guān)于微機(jī)械陀螺儀進(jìn)展的思考在現(xiàn)今的世界格局中，戰(zhàn)斗以信息化戰(zhàn)斗的的對(duì)抗為主,重點(diǎn)是進(jìn)展精確制導(dǎo)武器, 實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)程精確打擊和非接觸作戰(zhàn);大力提高防空、反導(dǎo)、突防、電子和信息作戰(zhàn)體系,加強(qiáng)局部作戰(zhàn)區(qū)域的制空、制海和制電磁權(quán)的作戰(zhàn)力量。慣性技術(shù)是加強(qiáng)武器系統(tǒng)和提高作戰(zhàn)力量的關(guān)鍵技術(shù)。很多國(guó)家都將進(jìn)展軍事力氣作為首要的目標(biāo)，而衡量軍事力氣提高的一個(gè)因素就是先進(jìn)武器系統(tǒng)的爭(zhēng)辯和制造，而這些爭(zhēng)辯工作中首先考慮的就是陀螺儀的使用和研發(fā)，航天慣性技術(shù)在實(shí)施精確打擊中的特殊地位,導(dǎo)彈武器精確制導(dǎo)對(duì)慣性技術(shù)的要求, 在戰(zhàn)術(shù)武器應(yīng)用方面前景看好。戰(zhàn)略武器方面，慣性系統(tǒng)與其它方式的組合制導(dǎo)，也是一個(gè)重要的進(jìn)

32、展空間。故而微機(jī)械陀螺儀的爭(zhēng)辯更是重中之重。六、小結(jié)與體會(huì)通過(guò)MEMS技術(shù)的學(xué)習(xí)使我們了解了更多關(guān)于MEMS技術(shù)方面的學(xué)問(wèn)，如：微系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、微型機(jī)械組裝和封裝技術(shù)、微系統(tǒng)的表征和測(cè)試技術(shù)，以及MEMS技術(shù)在生產(chǎn)生活及經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)展和國(guó)防建設(shè)中的應(yīng)用主要參考文獻(xiàn)：1 許高斌，朱華銘，陳興 不等高梳齒電容式三軸加速度傳感器J 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)， 2011， 25( 8) : 704 7102 郭慧芳，李錦明，劉俊 三框架電容式硅微機(jī)械陀螺動(dòng)力分析J 傳感器與微系統(tǒng)， 2008， 27( 5) : 24 263 LAI Shihwei，KIANG Jeanfu A CMOS MEM

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34、5) : 97 1007 裘安萍，蘇巖 振動(dòng)輪式微機(jī)械陀螺儀中滑膜阻尼機(jī)理的爭(zhēng)辯J 中國(guó)機(jī)械工程， 2006， 17( 16) : 1679 16828 張明，陳德勇，王軍波 單晶硅振動(dòng)環(huán)陀螺儀的制作J光學(xué)精密工程， 2010， 18( 11) : 2454 24609 王嫘，韓豐田，董景新，等 微靜電陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝實(shí)現(xiàn)J 納米技術(shù)與精密工程， 2011，9( 3) : 265 26910 SAID E A，KIVANC A，TAYFUN A A high performance silicon on insulator MEMS gyroscope operating at atmo

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