MEMS微陀螺儀研究進展

1、MEMS微陀螺儀研究進展成宇翔,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)國家級重點實驗室,上海 200240)摘要:回顧了MEMS微陀螺儀的研究進展,簡單介紹了MEMS微陀螺儀的市場應(yīng)用。微陀螺儀是MEMS器件中非常重要的一類器件。它的運用已經(jīng)從單純的航空領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)向汽車、消費電子行業(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)的振動式陀螺,由于原理的局限性和加工技術(shù)的限制,很難達到戰(zhàn)術(shù)級和慣性級的要求。導(dǎo)航級集成微陀螺(NGIMG)項目建議使用其他途徑,以減少器件的可移動部件和降低工藝難度,從

2、而提高其精度和抗干擾能力。各種設(shè)計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間擁有巨大的研究潛力和發(fā)展空間。關(guān)鍵詞:微電子機械系統(tǒng)(MEMS);慣性傳感器;微陀螺儀;零偏漂移;角隨機游走;懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺中圖分類號:TH703 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-4776(2011)05-0277-09ResearchDevelopmentofMEMSMicro GyroscopesChengYuxiang,ZhangWeiping,ChenWenyuan,CuiFeng,LiuWu,WuXiaosheng(NationalKeyLabor

3、atoryofNano/MicroFabricationTechnology,ResearchInstituteofMicro/NanoScienceandTechnology,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)Abstract:TheresearchprogressofMEMSmicro gyroscopesarereviewed.Themarketapplica tionsofMEMSmicro gyroscopesareintroducedbriefly.Microgyroscopesplayasignificantrolei

4、ntheMEMSdevices.Fromaviationfields,itsapplicationhasgraduallyshiftedtothelow endmarket,suchasautomobileandconsumerelectronics,whichmeansthatinsteadofthehighpreci sionandstability,commercializationisanotherdevelopmentdirection.Asthelimitationoftheprincipleandthefabricationtechnology,thetraditionalvib

5、ratinggyroscopescanhardlyreachthetacticalgradeandtheinertialgrade.TheNGIMGprogram,supportedbyDARPA,suggeststouseothermethodstoreduceflexiblecomponents,decreasetheprocessingdifficultyandimprovetheprecisionandantijammingcapability.Intherecentyears,endlessvarietiesofdesignsarepro posed.Themicrolevitate

6、drotationalgyroscopeisthemostprecisegyroscopeintheworldnow,andtheMEOMSgyroscopealsohasagreatresearchpotentialanddevelopmentinthefuture.Keywords:micro electromechanicalsystems(MEMS);inertialsensor;micro gyroscope;zerobiasdrift;anglerandomwalk;microlevitatedrotationalgyroscopeDOI:10.3969/j.issn.1671-4

7、776.2011.05.001 EEACC:2575收稿日期:2010-10-18基金項目:上海交通大學(xué)SMC優(yōu)秀青年學(xué)者計劃(T241460622);上海人才發(fā)展基金(047)通信作者:張衛(wèi)平,E mail:zwp37年 5成宇翔等:MEMS微陀螺儀研究進展0 引 言隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,慣性微陀螺儀以其尺寸小、精度高等特點,越來越受到人們的關(guān)注。在汽車導(dǎo)航、消費電子和移動應(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

8、動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)在每小時幾百到幾十度,極少數(shù)為戰(zhàn)術(shù)級,最高接近于1 /h,實現(xiàn)高精度達到慣性級相當(dāng)困難。美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的 導(dǎo)航級集成微陀螺(NGIMG) 項目建議的實現(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)、慣性敏感機構(gòu)與晶體管電路集成的技術(shù)。1 MEMS微陀螺的主要參數(shù)指標(biāo)零偏漂移、角隨機游走是確定微陀螺性能的主要指標(biāo)。

9、當(dāng)陀螺處于零輸入狀態(tài)時,陀螺的輸出信號是一個隨機函數(shù),為白噪聲和一個慢變隨機函數(shù)的疊加。設(shè)備的穩(wěn)定性由系統(tǒng)白噪聲所決定,而其慢變隨機函數(shù)可用來確定零漂或零偏穩(wěn)定性指標(biāo)。速率級和戰(zhàn)術(shù)級的陀螺只能用于測量相對短時間內(nèi)的角速度,其角隨機游走成為了限制其發(fā)展的主要因素。而慣性級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到慣性級的表現(xiàn)。大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用也只是局限在提高速率級MEMS微陀螺的指標(biāo)。極少數(shù)的幾個組織,如美國的Draper實驗室和JPL實驗室等,研究成功了真正達到戰(zhàn)術(shù)級的陀螺儀。不同級別陀螺的性能指標(biāo)如表11所示。表1 不同級別陀螺的性

10、能指標(biāo)Table1Performancerequirementsofgyroscopeswithdifferentclasses性能指標(biāo)零漂/( h-1)隨機游走/( h-速率級101000)>0.50.11501000103>705010000照相機、醫(yī)學(xué)儀器、 游戲、汽車等戰(zhàn)術(shù)級0.1100.50.050.010.1>500103104約1001000050000商業(yè)姿態(tài)航向參考系統(tǒng)(AHRS)、制導(dǎo)彈藥等慣性級<0.01<0.001<0.001>400103約100>100000商用/軍用飛機、 船舶、航天器等標(biāo)度因子/%最大輸入角速度/(

11、 s-1)1ms內(nèi)承受最大沖擊/(g s)帶寬/Hz成本/$應(yīng)用范圍2 各類MEMS微陀螺簡介MEMS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 微振動陀螺振動陀螺主要利用哥氏力的作用原理,把輸入角速度量轉(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、音叉式和振動環(huán)式等?？蚣苁秸駝游⑼勇菔亲钤绲姆寝D(zhuǎn)子式微機械陀螺,由美國Draper實驗室最先提出,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)動頻率等于內(nèi)框架的諧振頻率。在真空環(huán)境下,該陀螺的

12、品質(zhì)因數(shù)可達2000,預(yù)期漂移不定性優(yōu)于10 /h,適用于短時間導(dǎo)航。1993年5月2M5成宇翔等:MEMS微陀螺儀研究進展Draper實驗室又成功研制出第一臺音叉式線振動陀螺儀(TFG)3,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)動音叉,該陀螺已經(jīng)可以達到戰(zhàn)術(shù)級的要求。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Honeywell公司用于生產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)。2005年,J H Yoo等人5報道了

13、一種基于鐵鎵合金(Galfenol)磁致伸縮材料的振動音叉式陀螺儀,如圖2所示,整個尺寸為12mm 3mm 22mm,音叉敏感叉指的響應(yīng)速度為36mm/s。圖2 Galfenol音叉陀螺儀原理機及整機Fig 2 Galfenoltuning forkgyroscopeprincipleandentity由于在實際過程中出現(xiàn)了不必要的交叉耦合信號,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)計了一種基于振動環(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模態(tài),避免了不必要的多軸耦合,偏移穩(wěn)定性能達到10 /s。德國的微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(HSG IMI

14、T)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)定性達到65 /h。2005年,加州大學(xué)歐文分校設(shè)計了一個新穎的結(jié)構(gòu):給質(zhì)量塊提供了兩自由度的振動電容,并且把驅(qū)動和檢測電極的自由度都限制在一個自由度,提高了系統(tǒng)的解耦程度,如圖3(c)所示。該設(shè)計提高了陀螺的魯棒性,卻犧牲了系統(tǒng)的靈敏度。2006年,土圖1 Draper提出的振動式微陀螺儀Fig 1 VibratinggyroscopesbyDraper8耳其的中東技術(shù)大學(xué)開發(fā)了一種具有相同驅(qū)動和檢測機構(gòu)的對稱設(shè)計懸臂梁,如圖3(d)所示。這種陀螺的偏移穩(wěn)定性能達到7 /s。Invensense公司生產(chǎn)的IDG-

15、600是一個雙軸的微振動陀螺儀,采用了新型的納西里(Nasiri)封裝技術(shù),現(xiàn)在已經(jīng)批量生產(chǎn),用于運動姿勢傳感。但是由于科氏力很弱,機械布朗噪聲和電白噪聲限制了器件的精度,傳統(tǒng)的振動式陀螺在性能上尚未取得根本的突破:其零漂多數(shù)在每小時幾百到幾十度,極少數(shù)為戰(zhàn)術(shù)級,雖有接近于1 /h的報道,但實現(xiàn)高精度達到慣性級相當(dāng)困難。9年 5成宇翔等:MEMS微陀螺儀研究進展射流氣體陀螺是利用強迫對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,無活動檢測質(zhì)量,抗過載能力強,成本低,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0 05 /s,如圖4(a)所示

16、。射流陀螺可用于導(dǎo)彈、飛機、艦船、工業(yè)自動化和機器人等技術(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 SchemccticoffluidgyroscopesECF(electroconjugatefluid)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,ECF流體可以產(chǎn)生很強的流動。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)圖3

17、 基于解耦原理的各種微振動式陀螺Fig 3 Vibratinggyroscopesbasedondecouplingprinciples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行工作?；诘妥杼匦缘某黧w陀螺工作時,超流體黏滯系數(shù)很低,流體間以及流體對周圍運動的阻尼很小,當(dāng)承載容器與其發(fā)生切向運動時,超流體不會像通常的流體一樣由于液2 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)雜的活動部件,其抗沖擊、抗振動能力大大提高,特別

18、適合高沖擊、高振動環(huán)境下使用。M5成宇翔等:MEMS微陀螺儀研究進展體的黏性力發(fā)生隨動,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)了相對流動,檢測這個運動速度或它的某種放大量就可以獲得轉(zhuǎn)動速度的信息。利用量子化渦流,根據(jù)超流體的進動也可以敏感外界角速度。利用超流體效應(yīng)檢測角速度,在原理上具有遠遠高于常規(guī)陀螺的性能潛力,美國科學(xué)家進行實驗表明,超流體慣性測量裝置測量地球自轉(zhuǎn)時,精確度達到99 5%。美國國防部的技術(shù)評估認(rèn)為,超流體陀螺零偏穩(wěn)定性可達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

19、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)的聲表面波微陀螺。對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際應(yīng)用還有很多困難需要克服。2006年,日本Hyogo大學(xué)報道了一種新型的壓電振動固態(tài)微陀螺,其結(jié)構(gòu)較簡單,僅由一個帶電極的鋯鈦酸鉛(PZT)長方體構(gòu)成12。它利用PZT的逆壓電效

20、應(yīng)激振,以第29階縱向諧振模態(tài)作為參考線振動,利用壓電效應(yīng)檢出角速率信號,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,以降低模態(tài)頻率,增加Q值,如圖6所示。2006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圖6 上海交通大學(xué)的集中質(zhì)量PZT壓電微陀螺Fig 6 SJTUcentralizedmassesPZTpiezoelectricalgyroscope。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,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

21、頻共振,從而獲得高頻體聲波。2010年,佐治亞理工學(xué)院報出了厚度只有60 m的BAW陀螺儀14,測試可達到的動態(tài)響應(yīng)范圍為500 /s,如圖7所示。2008年,Qualtre公司取圖5 PZT壓電固態(tài)微陀螺原理Fig 5 PrincipleofaPZTpiezoelectricalmicro gyroscope圖7 體聲波陀螺結(jié)構(gòu)示意圖Fig 7 Schematicofabulkacousticwavegyroscope年 5成宇翔等:MEMS微陀螺儀研究進展得這些技術(shù)的獨家專利授權(quán),首先推出一款三軸動作傳感器QGYR300,它是由制造在同一芯片上的3個BAW單軸陀螺儀集成的。接著推出QIMU

22、600,包括制造在同一芯片上的3個BAW陀螺儀和1個三軸加速度計。2 4 微集成光學(xué)式陀螺微光機電陀螺(MOEMS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),綜合利用微機械制造技術(shù)和集成光學(xué)技術(shù)的一類新型微陀螺。MOEMS陀螺儀分為諧振式和干涉式兩種。諧振式MOEMS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)來實現(xiàn)。國外對諧振式MOEMS陀螺已經(jīng)研發(fā)了20余年。其中,美國Northrop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Honey well公司聯(lián)合明尼蘇達大學(xué)制造了一個指標(biāo)優(yōu)秀的諧振式MOEMS陀螺,其漂移穩(wěn)定性理論上可以達

23、到0 1 /h。干涉式MOEMS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Sagnac效應(yīng),但MOEMS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Sagnac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 5cm的大小預(yù)計測量精度可達0 001 /h。與其他MEMS陀螺相比,微光機電陀螺無運動部件,靈敏度高,不需真空封裝,且動態(tài)響應(yīng)范圍大,抗電磁干擾能力強,可在一些惡劣環(huán)境下使用。目前國際上微光機電陀螺技術(shù)的研究多處于起步或初級階段,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

24、相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步,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4轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),獲得恒定角動量并產(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Sheffield大學(xué)15于20世紀(jì)90年代中后期提出并對其進行研究的。上海交通大學(xué)于2006年提出

25、了一種將懸浮、穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)三種線圈分開的、可進行閉環(huán)控制的磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺16。真空時,它能夠獲得約5000r/min17的轉(zhuǎn)速和約3 /s的漂移穩(wěn)定性。2007年,上海交通大學(xué)又提出了一個新穎的抗磁懸浮微陀螺,如圖8所示,其在空氣中轉(zhuǎn)速可以達到10r/min。圖8 上海交通大學(xué)研制的抗磁懸浮微陀螺Fig 8 SJTUlevitateddiamagneticgyroscope實際應(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)

26、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,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)為驗證愛因斯坦廣義相對論,于2004年4月發(fā)射的 引力探測器B(GravityProbeB) ,就使用了4個目前世界上精度最高的靜電懸浮超導(dǎo)陀螺儀18,該陀螺儀在失重和低溫-11狀態(tài)下的隨機漂移率優(yōu)于10/h。日本Tokimec公司在2001年研制出盤形轉(zhuǎn)子M5成宇翔等:MEMS微陀螺儀研究進展1922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

27、的研究。該課題組在控制的建模與先前盤形轉(zhuǎn)子相比,環(huán)形轉(zhuǎn)子設(shè)計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)動慣量。2005年,To kimec公司20進一步提升了該微陀螺的性能指標(biāo),可以達到轉(zhuǎn)速74000r/min,穩(wěn)定性0 01 /s,角隨機游走0 085 /代表了目前靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺研究的較高水平,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MESAGTM102,該產(chǎn)品將馬上投入市場使用。與仿真方面做了大量研究,引入了 開關(guān)懸浮控制策略,有效避免了靜電吸附現(xiàn)象。上海交通大學(xué)23利用UV LIGA和LIGA技術(shù),設(shè)計并加工制作的靜電懸浮轉(zhuǎn)

28、子微陀螺采用非硅基工藝,上下定子電極均排布在Pyrex玻璃襯底上,中間層主要為可自由活動的鎳扁平轉(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)鍵技術(shù)問題的研究,采用MEMS技術(shù)設(shè)計制作了靜電懸浮轉(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。目前,兩家單位的研發(fā)還在進行中。靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的缺點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,其排除了振動式微陀螺所固有的正交誤差問題,無需頻率調(diào)諧,可獲得

29、較高的陀螺精度,微轉(zhuǎn)子可以同時檢測兩軸角速度和三軸線加速度,降低了微慣性測量組合(MIMU)的器件尺寸和研制成本。2 6 原子陀螺原子陀螺儀是目前分辨率最高的陀螺儀,在相同的實驗條件下,用原子干涉儀測量旋轉(zhuǎn)角度要比用光學(xué)方法靈敏10個數(shù)量級。它利用原子干涉儀對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,從而有效地改變時間和空間上原子和光相互作用的時間和地點。Princeton大學(xué)開發(fā)的原子核磁共振陀螺24圖9 日本Tokimec公司研制的直徑1 5mm環(huán)形轉(zhuǎn)子陀螺芯片及其封裝Fig 9 Chipsanditsencap

30、sulationofa1 5mmring shaperotatinggyroscopebyTokimecInc2006年4月,在DARPA 導(dǎo)航級集成微陀螺 項目的資助下,美國Archangelsystems公司開始了靜電懸浮環(huán)形轉(zhuǎn)子微陀螺的研發(fā)。該項目采用標(biāo)準(zhǔn)MEMS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),利用差動檢測原理來提高分辨率和精度,使用軸向三對電極驅(qū)動代替以往的四對電極,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電極使用魚鱗層疊裝分布。2009年,該計劃的成果顯示,該器件可以在6mT(1mT=0 133Pa)的真空環(huán)境下以200r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)2h,還遠遠沒有達到該項目的預(yù)期。200

31、1年,英國南安普敦大學(xué)也開始了靜電懸21的靈敏度達到0 002 /長期漂移為0 04 /h。目前,美國Darper等研究機構(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)在消費電子中的應(yīng)用也大幅度提高,預(yù)計今后幾年的年增長率要超過100%。目前市場上被運用最多的還是單軸或雙軸陀螺儀,例如ADI公司生產(chǎn)的微振動陀螺儀,年 5成宇翔等:MEMS微陀螺儀研究進展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)了各個量程的單軸雙軸陀螺儀,Invensense生產(chǎn)的雙軸陀螺儀每個價格低于10美元。陀螺儀被用于數(shù)碼攝像機以穩(wěn)定圖像,用雙軸動態(tài)傳感器去除震動和晃動,其成為了松下的

32、各種頂級攝像機的特點之一,也被應(yīng)用于高端筆記本電腦的防衰落系統(tǒng)上。但是對于手機行業(yè)陀螺儀的價格還是太貴了,它們可以接受的報價在5美元以內(nèi),這個價格才可以使得微陀螺儀代替加速度計更多地進入手機圖片旋轉(zhuǎn)、GPS導(dǎo)航以及硬盤保護的應(yīng)用,當(dāng)然分辨率要求也較低,為510 /s(在汽車中0 11 /s)。2009年5月27日,Invensense公司發(fā)布了針對游戲和三維遙控器市場的第一個六軸運動處理方案,其集成了由一個單軸陀螺儀、一個雙軸陀螺儀和一個三軸加速度計組成的慣性測量單元,其動態(tài)響應(yīng)范圍可以達到2000 /s,成為世界上第一個基于MEMS的六軸運動處理方案,為消費電子市場提供了最小、最可靠的慣性測

33、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,提供更高精度的三維運動跟蹤。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微陀螺,其中STIM202零偏穩(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)計生產(chǎn)商用陀螺儀系列慣性傳感器的MEMS芯片的公司,成功推出了MEMS陀螺儀SSZ030CG26,外形尺寸5 0mm 8mm 1 8mm,可運用在手機、攝像機和空中鼠標(biāo)等消費電子領(lǐng)域。25成本化和商業(yè)化的道路前進。傳統(tǒng)的振動陀螺目前依然是研究的熱點,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

34、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:1 YAZDIN,AYAZIF,NAJAFIK.MicromachinedinertialsensorsJ.ProceedingsoftheIEEE,1998,86(8):1640-1659.2 GREIFFP,BOXENHORNB,KINGT,etal.Siliconmonolithicmicromechanicalgyr

35、oscopeC/Proceedingsofthe1991InternationalConferenceonSolid StateSensorsandAc tuators.SanFrancisco,CA,USA,1991:966-968.3 BERNSTEINJ,CHOS,KINGAT,etal.Amicromachinedcomb drivetuningforkrategyroscopeC/Pro ceedingsofMicroElectroMechanicalSystems.FortLauder dale,FL,1993:143-148.4 LIUK,ZHANGWP,CHENWY,etal.

36、Thedevelopmentofmicro gyroscopetechnologyJ.JournalofMicromecha nicsandMicroengineering,2009,19(11):113001.5 YOOJH,MARSCHNERU,FLATAUAB.PreliminaryGalfenolvibratorygyro sensordesignC/ProceedingsofSPIE.SanDiego,CA,USA,2005,5764:111-119.6 AYAZIF,NAJAFIK.AHARPSSpolysiliconvibratingringgyroscopeJ.Microele

37、ctromechanicalSystems,2001,10(2):169-179.7 GEIGERW,BUTTWU,DEWXHJ,etal.DecoupledmicrogyroscopesandthedesignprincipleDAVEDJ.SensorsActuators:A,2002,95(2):239-249.8 ACARC,SHKELAM.Structurallydecoupledmicromachinedgyroscopeswithpost releasecapacitanceenhancementJ.JournalofMicromechanicsandMicroengineeri

38、ng,2005,15(5):1092-1101.9 ALPERSE,SILAYKM,AKINT.Alow costrate gradenickelmicro gyroscopeJ.2006,132(1):171-181.10VanTHANHD,DZUNGVD,TATSUOS,etal.Developmentofadual axisthermalconvectivegasgyroscopeJ.JournalofMicromechanicsandMicroengineering,2006,16(7):1301-1306.11KENJIROT,SHINICHIY,MAMORUS,etal.Aliqu

39、idrategyroscopeusingelectro conjugatefluidJ.SensorsandActuators:A,2009,149(2):173-179.SensorsandActuators: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)計原理本身的局限性,使得目前的技術(shù)還沒有取得一個質(zhì)的飛躍,依然停留在速率級上難以進步。微陀螺技術(shù)下一步的發(fā)展應(yīng)該從兩個方面著手:一是通過技術(shù)改革原理的創(chuàng)新進一步提高器件的精度和穩(wěn)定性;二是在現(xiàn)

40、有器件的基礎(chǔ)上沿著低M5成宇翔等:MEMS微陀螺儀研究進展12 MAENAKAK,KOHARAH,NISHIMURAM,etal.Novelsolidmicro gyroscopeC/Proceedingsofthe19thIEEEInternationalConferenceonMicroElectroMechanicalSystems.Istanbul,Turkey,2006:634-637.13 JOHARIH,AYAZIF.CapacitivebulkacousticwavesilicondiskgyroscopesC/ProceedingsoftheInternationalElec

41、tronDevicesMeeting.SanFrancisco,CA,2006:513-516.14 SUNGWK,DALALM.A3MHzspokegyrospopewithwidebandwidthandlargedynamicrangeC/ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonMicroElectroMe chanicalSystems.Hongkong,China,2010:104-107.15 WILLIAMSCB,SHEARWOODC,MELLORPH,etal.Modelingandtestingofafrictionlessl

42、evitatedmicromotorJ.Sensorsandactuators:A,1997,61(1/2/3):469-473.16 WUXS,CHENWY,ZHAOXL,etal,DevelopmentofamicromachinedrotatinggyroscopewithelectromagneticallylevitatedrotorJ.JournalofMicromechanicsandMicro engineering,2006,16(10):1993-1999.17 LIUW,CHENWY,ZHANGWP,etal.Variable capacitancemicromotorwithlevitateddiamagneticrotorJ.Electroni