微機械陀螺儀技術(shù)研究-

1、針對原子、分子和電子等的極小化研究,尺度特征為微米、納米甚至皮米,研究手段以掃描隧道顯微鏡為代表。這其中,微型化是近二三十年自然科學和工程技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢,而微納米技術(shù)的研究則推動了這一領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。微電子機械系統(tǒng)(Micro.ElectroMechanical Systems,簡稱MEMS是微納米技術(shù)研究的一個重要方向,是繼微電子技術(shù)以后在微尺度研究領(lǐng)域中的又一次革命。MEMS是指將微結(jié)構(gòu)的傳感技術(shù)、致動技術(shù)和微電子控制技術(shù)集成為一體,形成同時具有“傳感一計算(控制-執(zhí)行”功能的智能微型裝置或系統(tǒng)。MEMS的加工尺寸在微米量級,系統(tǒng)尺寸在毫米量級。它的學科交叉程度大,其研究已延伸至機

2、械、材料、光學、流體、化學、醫(yī)學、生物等學科,技術(shù)影響遍及包括各種傳感器件、醫(yī)療、生物芯片、通信、機器人、能源、武器、航空航天等領(lǐng)域。MEMS的發(fā)展源于集成電路,但又有所區(qū)別:MEMS能夠感知物理世界中的各種信息,并由計算單元對信息進行處理,再通過執(zhí)行器對環(huán)境實施作用與控制。微型化是MEMS的一個重要特點,但不是唯一特點。首先,MEMS不僅體積小、重量輕,同時具有諧振率和品質(zhì)因子高、能量損失小等特點。其次,可批量加工特點大大降低了MEMS產(chǎn)品成本:若借助于MEMS器件庫,MEMS的設(shè)計將更加靈活,重用率更高。最后,強大的計算能力是MEMS系統(tǒng)實現(xiàn)信息采集、處理、控制的關(guān)鍵,充分利用集成電路的計

3、算優(yōu)勢將會拓展MEMS在智能控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的發(fā)展及振動陀螺儀的出現(xiàn),使人們制造出微小型慣性元器件的夢想成為了現(xiàn)實。在微觀尺寸生產(chǎn)領(lǐng)域制造技術(shù)革命性的發(fā)展,使得小型元器件的尺寸突破了一個又一個極限。如掃描隧道顯微鏡,可以實現(xiàn)原子分辨率;電子束、離子束、X 射線束制造技術(shù),可以使器件的特征線寬做到100.250埃:分子工程也與常規(guī)的平面工藝密切地結(jié)合起來。由于這些技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,使微小型制造業(yè)推進到了微米/納米的水平。硅微型機械振動陀螺儀和硅微型加速度計等始于七十年代后期,而八十年代后期才真正發(fā)展起來。八十年代后期發(fā)展起來的這類新型慣性元件就是隨著硅微機

4、械加工技術(shù)的進步而涌現(xiàn)出的新型產(chǎn)品。它們具有一系列傳統(tǒng)陀螺儀無法比擬的優(yōu)點,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。1.體積小、重量輕利用硅微機械加工技術(shù)制造的硅微型機械振動陀螺儀、加速度計等慣性元件可以放在一個非常小的芯片上。尺寸可以是微米級的,而且重量也大幅降低。例如1988年美國德雷柏實驗室(Charles Stark Draper Lab研制的框架式硅微型角振動陀螺儀【,其體積僅為600X3002.59in3。而由該實驗室于1994年研制的MMISA和ASIC組成的三維微型慣性測量組合(micro inertial measurement unit,MIMU的體積也僅有2X2X0.5cm3,質(zhì)量為59

5、。據(jù)美國航空與宇航學會(AIAA的一篇研究報告【21,用單晶硅片化學刻蝕方法,在一塊4英寸的硅片上可以批量生產(chǎn)多達4000個獨立的微型慣性儀表。2.可靠性高硅微型慣性元件從結(jié)構(gòu)上沒有了高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。它們的體積小、重量輕、成本低等特點,使得它們特別適合采用冗余配置方案。另外它們可以采用集成化的形式,將慣性元件與電子線路集成在一個芯片上,這樣可減少干擾,從而使得它的可靠性提高。3.能承受惡劣環(huán)境條件由于硅材料的抗沖擊能力強、硅微型慣性元件的結(jié)構(gòu)簡單等特點,使得它們具有承受惡劣環(huán)境條件的能力。一般可承受10,0009加速度的沖擊。4.壽命長由于硅材料的抗沖擊能力強,而且它們沒有了高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子使得

6、其壽命大幅提高。例如美國德雷拍實驗室研制的框架式硅微角振動陀螺儀的使用壽命可達100,000小時。5.可批量生產(chǎn)由于微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)的發(fā)展與進步,使得硅微型慣性元件的批量生產(chǎn)變得簡單容易。6.功耗低硅微型慣性元件的體積小、重量輕,且通常工作在真空狀態(tài)下,使得它們所消耗的能量非常低,一般能耗在微瓦到微微瓦量級。7.測量范圍大傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子陀螺儀,需要較大的動量矩,所以測量范圍受到許多因素的制約,而硅微型慣性元件就沒有這方面的問題。可以很容易地得到較大的測量范圍。8.子線路集成硅微型慣性元件可以采用硅微機械加工工藝和半導(dǎo)體集成電路工藝來制造。這樣可方便地將硅微型慣性元件和電子線路集成在一起。

7、9.成本低由于硅微型慣性元件采用硅微機械加工工藝和半導(dǎo)體集成電路工藝來制造,使得它們特別適合規(guī)?；a(chǎn)和批量生產(chǎn)。所以可大幅提高生產(chǎn)效率,降低單個元件的成本。陀螺在任何環(huán)境下都具有自主導(dǎo)航的能力,因此自其問世以來,一直被廣泛運用于航海、航空、航天、軍事等領(lǐng)域。尤其是在軍事上,陀螺向來是慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件。早在1942年,德國在二次世界大戰(zhàn)中首次在導(dǎo)彈上安裝了由慣性敏感器組成的制導(dǎo)系統(tǒng),其中就是用陀螺來測量和控制導(dǎo)彈姿態(tài)的。一直以來與陀螺有關(guān)的技術(shù)都是各國發(fā)展的重點技術(shù),發(fā)展十分迅速。在科學技術(shù)突飛猛進的今天,依托現(xiàn)代微機械加工技術(shù)制作的微機械陀螺(MS陀螺己經(jīng)成為現(xiàn)代陀螺的代表。微機械陀螺不僅

8、價格低,體積小,重量輕,而且可以與微電子加工的電路實現(xiàn)集成,做到機電一體化。從綜合性能看,微機械陀螺適合應(yīng)用于汽車工業(yè)、慣性導(dǎo)航、計算機、機器人、軍事以及消費電子等急需大量小型、廉價陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域。需要特別指出的是慣性導(dǎo)航一直是陀螺,包括現(xiàn)代MEMS 陀螺應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。在現(xiàn)代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,MEMS陀螺憑借著其體積小、重量輕的優(yōu)點被大量應(yīng)用于測量運載器(包括火箭、導(dǎo)彈、潛艇、遠程飛機、宇航飛行器等角速度、角加速度的變化。通過將利用MEMS陀螺獲得的反映運載器當前姿態(tài)的電信號輸入計算機或微處理器,綜合計算后輸出指令,控制姿態(tài)控制系統(tǒng)和推進系統(tǒng),來實現(xiàn)運載器的完全自主導(dǎo)航。這種由MEMS陀

9、螺構(gòu)成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)無需外界參考信號就能探測出運載器本身的姿態(tài)變化,并且不受外界磁場的影響,抗干擾能力強,成為各國關(guān)注的焦點技術(shù)之一?，F(xiàn)在,MEMS陀螺及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在我國國民經(jīng)濟的各個部門(包括軍用和民用得到廣泛運用,礦產(chǎn)資源鉆探和開采中也有它的蹤跡。另外,MEMS陀螺還廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器、武器、虛擬現(xiàn)實中。由此可見,這項技術(shù)具有強大的生命力和廣泛的應(yīng)用前景。力學傳感器和執(zhí)行器是應(yīng)用最為普遍的MEMS器件。它利用微結(jié)構(gòu)的基本力學原理,通過各種方式來感知或產(chǎn)生應(yīng)變、電容、靜電力、壓電、壓阻等。力傳感器主要包括微加速度計、微機械陀螺及兩者組合而成的微慣性測量組合,其他力學傳感器還包括液體或氣體

10、壓力傳感器、用于麥克風上將說話氣流轉(zhuǎn)換為電能的傳聲器、機器人操作手上的觸覺傳感器等。通過集成三軸MEMS陀螺和加速度計,構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)靈巧、價格便宜的慣性測量器件,可取代傳統(tǒng)的慣性裝置,用于車輛、攝像機等裝置的穩(wěn)定控制、姿態(tài)調(diào)節(jié)和個人導(dǎo)航系統(tǒng)。在軍事上,慣性測量組合可裝備各種精確制導(dǎo)武器,具有體積小、重量輕、抗沖擊性強等特點。美國陸軍己在81mm迫擊炮彈和“神劍155mm炮彈上進行了試驗;此外,美國海軍也正在研究低成本的慣性測量單元,用于魚雷的慣性制導(dǎo)。微機械陀螺和微加速度計是微慣性組合的重要組成部分,軍、民用微加速度計的產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟,而微機械陀螺還有待于進一步的發(fā)展。微機械陀螺是采用微電子

11、技術(shù),利用化學蝕刻方法在單晶硅片上制成的超小型的測角裝置,具有外形尺寸小、重量輕、功耗低、啟動快、成本低、可靠性高和易于數(shù)字化等優(yōu)點,其加工工藝可以保證大規(guī)模生產(chǎn),因而成本很低,但它最大的缺點是精度低。微機械陀螺目前精度在1000/h左右,還將進一步提高到100/11隨著先進的微電子技術(shù)的發(fā)展,預(yù)計微機械陀螺的價格將會在一美元到幾百美元之間。其低廉的價格使其具有廣闊的應(yīng)用前景,已在一些新的領(lǐng)域中得到應(yīng)用,如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、天文望遠鏡、工業(yè)機器入、計算機鼠標,甚至是玩具以及電子娛樂設(shè)備上。微機械陀螺從結(jié)構(gòu)來看,有雙框架結(jié)構(gòu)陀螺、振動輪式陀螺、諧振環(huán)式陀螺、梳狀音叉式陀螺等;從驅(qū)動方式看,主要有靜電

12、驅(qū)動,電磁驅(qū)動,壓電驅(qū)動;從檢測方式看主要有電容檢測、壓阻檢測、壓電檢測,光學檢測等;從陀螺動力學運動學方式看,陀螺結(jié)構(gòu)驅(qū)動和檢測運動方式主要是線性振動、扭轉(zhuǎn)振動。通過上述各種方式的組合,構(gòu)成了各種各樣的微機械振動式陀螺。以下對幾種典型結(jié)構(gòu)的微機械陀螺做個簡要介紹:l,雙框架結(jié)構(gòu)陀螺雙框架結(jié)構(gòu)微機械陀螺利用轉(zhuǎn)動坐標系角振動產(chǎn)生的科里奧利力效應(yīng)檢測角速度,以1991年美國德雷泊實驗室研制的雙框架結(jié)構(gòu)硅微機械陀螺為例,其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。它由內(nèi)外框架,互相垂直的內(nèi)外扭轉(zhuǎn)軸及一個敏感質(zhì)量塊組成。外電極通過位于上下方的電容極板加一交變電場產(chǎn)生靜電力矩引起外框架繞參考軸的角振動,當體系存在沿Z軸的角速

13、度時,科里奧利力作用于質(zhì)量塊引起其繞內(nèi)敏感軸的角振動,通過硅片上面的一對電容極板檢測出差分電容的變化,即可檢測出體系角速度。該陀螺采用復(fù)雜的微機械工藝及IC技術(shù)制成,其內(nèi)外框架振動的特性可由歐拉方程推導(dǎo)得到。當外框的振動頻率與內(nèi)框的固有頻率一致時陀螺的靈敏度最大,這種結(jié)構(gòu)的陀螺檢測在1Hz帶寬的精度為4sec。圖1-1雙框架結(jié)構(gòu)陀螺2.梳狀微機械陀螺1993年,德雷泊實驗室研制出梳狀音叉式陀螺,如圖l-2所示。它采用梳狀結(jié)構(gòu)靜電驅(qū)動,用撓性折疊梁連接兩個檢測質(zhì)量塊,在梳狀驅(qū)動器的靜電力作用下,兩個檢測質(zhì)量塊在平面內(nèi)沿驅(qū)動軸X作反向音叉式運動。當在檢測質(zhì)量塊的平面內(nèi),沿與驅(qū)動軸相垂直的軸上有輸入

14、角速度時,在科氏力作用下,兩個檢測質(zhì)量塊作上下相反振動,使得由質(zhì)量塊與質(zhì)量塊下方的電容電極構(gòu)成的電容發(fā)生變化,通過測量電容變化,獲知輸入角速度。該陀螺平面內(nèi)的運動阻尼較小,但平面外的運動產(chǎn)生壓膜阻尼,阻尼較大。所以檢測模態(tài)的品質(zhì)因子(Q值隨壓強下降會有顯著提高。而對于驅(qū)動模態(tài),品質(zhì)因子并不會隨壓強減小有大幅提高。該陀螺的性能在100mTorr下,驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的品質(zhì)因子分別為40000和5000;在60Hz帶寬下,等效噪聲速率為470dog/hr;在1Hz帶寬下,等效噪聲速率為0.02deg/hr,或角度隨機游走0.72deg/hr“2【4】。圖l-2梳狀音叉式微機械陀螺1996年,UC

15、Bcrkdey報道了一種梳狀驅(qū)動、梳狀電容檢測的Z軸振動式微機械陀螺結(jié)構(gòu),如圖1.3所示。陀螺采用多晶硅表面微機械工藝制作,驅(qū)動和檢測均采用梳狀叉指結(jié)構(gòu),中間較短的叉指用于驅(qū)動,上下兩組較長可動叉指與兩側(cè)固定叉指構(gòu)成檢測差分電容。通過器件中間的梳狀電極靜電驅(qū)動慣性質(zhì)量沿X軸方向振動,當z軸方向存在輸入角速度時,慣性質(zhì)量受到科氏力作用沿Y方向振動,檢測可動叉指與兩側(cè)固定叉指的差分電容變化,即可感知角速度。該結(jié)構(gòu)的特點是兩種振動模態(tài)均在XY平面內(nèi),不涉及平面以外的運動,通過差分電容結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)力平衡工作模式,陀螺利用靜電修調(diào)檢測模態(tài)諧振頻率可以實現(xiàn)兩種工作模態(tài)諧振頻率的匹配,提高靈敏度。利用結(jié)構(gòu)的對

16、稱性,通過靜電偏壓可以有效抑制驅(qū)動振動沿檢測振動方向分量帶來的正交誤差。這種微機械陀螺儀的分辨率可達1/sec/Hz。圖1.3梳狀驅(qū)動、梳狀電容檢測微機械陀螺Samsung也報道了類似工作方式的微機械陀螺,如圖1_4,其分辨率在2Hz時,為O.1 deg/s工作帶寬為100t-Iz,動態(tài)范圍為90deg/ s卯。1.4梳齒驅(qū)動Z軸微機械陀螺3.振動環(huán)形微機械陀螺美國Michigan大學于1994年首次報道了一種振動環(huán)形微機械陀螺,圖15展示了振動環(huán)形微機械陀螺。1.5振動環(huán)形微機械陀螺該陀螺由中心錨于襯底,8個高柔性半圓形輻條支撐的可動圓環(huán)和環(huán)外圍32個電極組成,整個圓環(huán)接在一個電極上。犯個電

17、極中,一部分用于靜電驅(qū)動以激勵出兩個振型,另一部分用于輸出信號檢測,還有一部分是用于伺服的力平衡電極。通過力平衡模式可以增大帶寬和信號響應(yīng)速度。器件靈敏度由第一和第二振型的輸出比值決定。陀螺的靈敏度為0.5。/see,帶寬為25Hz。第一代的振動環(huán)形微機械陀螺用電鍍鎳作為結(jié)構(gòu)材料,以后又采用厚多晶硅作為結(jié)構(gòu)材料,以提高陀螺性能。4.振動輪式微機械陀螺美國JPL實驗室1996年報道了一種可解除驅(qū)動模態(tài)與敏感模態(tài)耦合的振動輪式微機械陀螺。以后HSG-IMIT陸續(xù)報道了一種類似振動輪式的微機械陀螺;振動輪式微機械陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖l_6所示71。瓦1-6振動輪式微機械陀螺結(jié)構(gòu)示意圖振動輪式微機械陀

18、螺儀采用靜電驅(qū)動技術(shù),給固定在基座上的固定梳狀電極上加載帶直流偏置的交流電壓,驅(qū)動輪上的動齒接地。這樣動、靜齒間便產(chǎn)生大小周期性變化的靜電吸力,使整個驅(qū)動輪繞其中心軸(即支柱來回振動,并帶動外框架一起振動,此時若基座相對慣性空間有一定角速度的轉(zhuǎn)動,它將通過支柱和撓性軸給驅(qū)動輪和框架施加力矩,這樣由于哥氏力矩的作用框架將相對于驅(qū)動輪做撓性軸方向的角振動。通過測量這一角振動的幅度就可敏感基座相對慣性空間轉(zhuǎn)動的角速度。以上是一些采用靜電驅(qū)動電容檢測的微機械陀螺。除此之外,還有電磁驅(qū)動電容檢測或電磁驅(qū)動壓阻檢測的微機械陀螺;靜電驅(qū)動壓阻檢測的微機械陀螺以及靜電驅(qū)動光學檢測的微機械陀螺。如前所述,在硅微機械陀螺中,采用靜電驅(qū)動電容檢測比較多。這要是的結(jié)構(gòu)和工作方式與硅微機械加工技術(shù)比較兼容,器件制作及電路集成相對較為容易。工業(yè)發(fā)達國家對影響2l世紀社會經(jīng)濟發(fā)展和國家防務(wù)的MEMS技術(shù)的發(fā)展十分重視,在原有將傳感器列為優(yōu)先