硅微振動(dòng)陀螺技術(shù)綜述

1、MEMS陀螺儀研究背景MEMS陀螺儀原理與器件MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)與制造MEMS陀螺儀測試及應(yīng)用小結(jié)及體會MEMS陀螺儀研究歷史及發(fā)展現(xiàn)狀MEMS陀螺儀發(fā)展趨勢MEMS陀螺儀基本概念 陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來測量物體旋轉(zhuǎn)快慢的傳感器。 它在運(yùn)輸系統(tǒng)，例如，導(dǎo)航、剎車調(diào)節(jié)控制盒加速度測量等方面有很多應(yīng)用。按照制作原理及結(jié)構(gòu)可將其大致分為機(jī)械式陀螺儀、光學(xué)陀螺儀、微機(jī)械陀螺儀三類1。 微機(jī)械陀螺儀是高新技術(shù)產(chǎn)物，具有體積小、功耗低多種優(yōu)勢，在民用消費(fèi)領(lǐng)域和現(xiàn)代國防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景2 。各種原理的陀螺儀 微 機(jī) 械 陀 螺 儀(MEMS gyroscope)主要有轉(zhuǎn)子式、振動(dòng)式微機(jī)械陀螺儀

2、和微機(jī)械加速度計(jì)陀螺儀三種。轉(zhuǎn)子式的MEMS陀螺較為少見，振動(dòng)式和微加速度計(jì)式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效應(yīng)。 目前，MEMS陀螺儀基本都是振動(dòng)式的3。體積微小的微機(jī)械陀螺 微機(jī)械陀螺的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過幾十年的研究國外相關(guān)已經(jīng)比較成熟，眾多科研單位及公司如美國Draper實(shí)驗(yàn)室、ADI公司、Berkeley大學(xué)，德國Daimler Benz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬蘭等國家4-9，已有商業(yè)化產(chǎn)品。 我國的MEMS 技術(shù)研究工作起步較晚，但正積極開展研究，國家已經(jīng)投入巨資用于MEMS陀螺技術(shù)的研究。目前主要的科研單位有清華、北大、中科院上海微

3、系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、哈工大等多家單位10-15 ，經(jīng)過十多年的努力，在基礎(chǔ)理論、加工技術(shù)和工程應(yīng)用等方面的研究已取得了明顯的進(jìn)步。但不可否認(rèn)，與國外差距仍然較大，高性能微機(jī)械陀螺少有商業(yè)化產(chǎn)品。德國Bosch公司 諧振方向 諧振方向 柯氏力方向 加速度 傳感器 質(zhì)量塊 電流回路 加速度傳感器鍵合 電流回路 加速度 傳感器 折疊彈性梁 芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)土耳其安卡拉中東科技大學(xué)日本Murata Mfg.Co美國Michigan大學(xué)單位單位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)檢測機(jī)理檢測機(jī)理靈敏度靈敏度/分辨率分辨率噪聲噪聲/漂移漂移美國Michigan大學(xué)振動(dòng)環(huán)式電容檢測25Hz帶寬下分辨率0.5/s7.2/h日本

4、Murata Mfg.Co獨(dú)立梁式電容驅(qū)動(dòng)電容檢測25Hz帶寬下分辨率0.07/s/土耳其安卡拉中東科技大學(xué)電容驅(qū)動(dòng)3mm3mm電容檢測真空24mV/s大氣100V/s/芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)框架式角振動(dòng)電容檢測信噪比51.6dB德國Bosch公司雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動(dòng)電容檢測18mV/s量程為100/s國外微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)與性能指標(biāo)4-9151 / /hHz*北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)，中科院上海微系統(tǒng)所 研制的的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)10-15 單位單位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)檢測機(jī)理檢測機(jī)理靈敏度靈敏度噪聲噪聲/漂移漂移北大諧振式電容檢測22mv/s清華角振動(dòng)電容檢測1.9mV/s/復(fù)旦雙質(zhì)量塊電容驅(qū)動(dòng)壓阻檢

5、測電橋輸出0.22V/s/中科院雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動(dòng)電容檢測9.8mV/s中北大學(xué)諧振式電容檢測0.7mV/s國內(nèi)微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)與性能指標(biāo)10-15 72 /hHz67 /hHz從國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀來看，微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)總結(jié)如下： 1、機(jī)械結(jié)構(gòu)：圓環(huán)、獨(dú)立梁、框架、雙質(zhì)量塊 2、驅(qū)動(dòng)方式：電容驅(qū)動(dòng)的多 3、檢測方式：電容檢測的多 4、使用的材料：都是Si基，靈敏度mV級 許多市場調(diào)查包括SRI，NEXUS，System Planning公司，SEMI等一致認(rèn)為mems陀螺儀市場將每年以15%25%的年增長率增長。現(xiàn)代工業(yè)控制、航空航天、軍用技術(shù)不可能離開慣性傳感器；汽車，消費(fèi)品和娛樂市場也開始依賴這

6、些設(shè)備17。 高精度、低成本、微型化、低功耗、多軸向高穩(wěn)定性依然是微機(jī)械陀螺的技術(shù)追求，隨著多傳感器系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，兼有陀螺儀功能的智能集成傳感器系統(tǒng)將是MEMS陀螺的重要發(fā)展方向18。MEMS陀螺儀分類及基本結(jié)構(gòu)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)模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過測量振幅實(shí)現(xiàn)對角速度的測量。 柯氏加速度是動(dòng)參系的轉(zhuǎn)動(dòng)與動(dòng)點(diǎn)相對動(dòng)參系運(yùn)動(dòng)相互耦合引起的加速度?？率霞铀俣鹊姆较虼怪庇诮撬俣仁噶亢拖鄬λ俣仁噶?。判斷方法按照右手旋進(jìn)規(guī)則進(jìn)行判斷VacyxacV 假如質(zhì)點(diǎn)以非常快的速度

7、沿轉(zhuǎn)盤徑向做簡諧振動(dòng)，利用右手旋進(jìn)準(zhǔn)則可判斷出，質(zhì)點(diǎn)將在轉(zhuǎn)盤上不停地沿垂直于簡諧振動(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)檢測的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)19）。開環(huán)電磁驅(qū)動(dòng)電路原理框圖 驅(qū)動(dòng)反饋檢測電路原理框圖 敏感器件檢測電路原理框圖 一種電磁驅(qū)動(dòng)壓阻檢測式的MEMS陀螺儀驅(qū)動(dòng)及檢測原理 微機(jī)構(gòu)陀螺可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行劃分：振動(dòng)結(jié)構(gòu)，材料，加工方式，驅(qū)動(dòng)方式，檢測方式和工作模式2。微機(jī)械陀螺分類按振動(dòng)結(jié)構(gòu)按材料按加工方式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)線性振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)盤結(jié)構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)陀螺正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)非正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)加

8、速度計(jì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)單晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料體微機(jī)械加工表面微機(jī)械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑) 微機(jī)構(gòu)陀螺可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行劃分：振動(dòng)結(jié)構(gòu)，材料，加工方式，驅(qū)動(dòng)方式，檢測方式和工作模式。微機(jī)械陀螺分類按振動(dòng)結(jié)構(gòu)按材料按加工方式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)線性振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)盤結(jié)構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)陀螺正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)非正交線振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)加速度計(jì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平板結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)音叉結(jié)構(gòu)單晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料體微機(jī)械加工表面微機(jī)械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑)表面工藝結(jié)構(gòu)體硅工藝結(jié)構(gòu) 微機(jī)構(gòu)陀螺可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行劃分：振動(dòng)結(jié)構(gòu)，

9、材料，加工方式，驅(qū)動(dòng)方式，檢測方式和工作模式2。微機(jī)械陀螺分類按驅(qū)動(dòng)方式按檢測方式壓電式靜電式電磁式壓電檢測電容檢測壓阻式檢測光學(xué)檢測隧道效應(yīng)檢測按工作模式速率陀螺速率積分陀螺閉環(huán)模式開環(huán)模式整角模式 微機(jī)構(gòu)陀螺可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行劃分：振動(dòng)結(jié)構(gòu)，材料，加工方式，驅(qū)動(dòng)方式，檢測方式和工作模式。微機(jī)械陀螺分類按驅(qū)動(dòng)方式按檢測方式壓電式靜電式電磁式壓電檢測電容檢測壓阻式檢測光學(xué)檢測隧道效應(yīng)檢測按工作模式速率陀螺速率積分陀螺閉環(huán)模式開環(huán)模式整角模式技術(shù)指標(biāo)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)載影響非常大大小小小尺寸大小中等小大溫度范圍非常寬寬中等中等寬線性度誤差高中等低高低有無阻尼有

10、無有有無靈敏度高中等中等高很高電路復(fù)雜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)作用部分檢測方式的MEMS陀螺性能對比20MEMS陀螺儀工藝方法MEMS陀螺儀制造技術(shù)難點(diǎn)MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)流程及工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容作用：進(jìn)行結(jié)果的相互對比、驗(yàn)證與校核ANSYS靜態(tài)分析靜態(tài)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)模態(tài)分析模態(tài)分析瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)哥氏效應(yīng)哥氏效應(yīng)振動(dòng)幅值振動(dòng)幅值限位位移限位位移振型和頻率振型和頻率敏感器敏感器件位置件位置路徑分析路徑分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈敏度頻率匹配Q值設(shè)計(jì)初始化尺寸ANSYS優(yōu)化理論計(jì)算優(yōu)化尺寸靈敏度

11、噪 聲檢驗(yàn)陀螺動(dòng)力學(xué)模型 0sinxxxm x tc x tk x tFt 2zzzzzzm z tctktmx t02222222222z2111111zzzxxxzzxxBSQQFm靈敏度：結(jié)論：當(dāng)=x=z 時(shí)，陀螺的檢測靈敏度最高。微機(jī)械陀螺動(dòng)力學(xué)方程多次重復(fù) 厚膜、深刻蝕、次數(shù)少 去除犧牲層，釋放結(jié)構(gòu) 其他微加工工藝 部分封裝，多種測試 特殊工藝保護(hù)結(jié)構(gòu) 測試 淀積 光刻 刻蝕 劃片 裝架 封裝 測試 典型MEMS制造工藝流程常用的MEMS器件加工工藝方法*先在襯底表面生長薄膜，通過對薄膜進(jìn)行光刻、刻蝕等形成結(jié)構(gòu)。*優(yōu)點(diǎn)：易于與IC集成。表面工藝常用的MEMS器件加工工藝方法(1) 刻

12、蝕淺槽GlassSi(2) 表面摻雜(3) 金屬電極(4) 陽極鍵合(5) 硅片剪薄(6) 釋放結(jié)構(gòu)體硅深刻蝕釋放工藝體硅深刻蝕釋放工藝體硅工藝具體的常用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、擴(kuò)散、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離及外部連接引線制作等，完成微陀螺基本器件制作。 1、包括微機(jī)械陀螺應(yīng)用在內(nèi)的MEMS，力學(xué)參數(shù)較宏觀情況明顯

13、變化，宏觀物理定律已經(jīng)不能完全對 MEMS 的設(shè)計(jì)、制造工藝、封裝以及應(yīng)用進(jìn)行解釋和指導(dǎo)。這些因素限制妨礙了微機(jī)械陀螺性能的提高21。 2、隨著MEMS傳感器尺寸的縮小，敏感部件也不斷縮小，傳統(tǒng)檢測效應(yīng)接近靈敏度極限，限制了高性能MEMS陀螺儀的發(fā)展，新效應(yīng)新原理器件亟待開發(fā)19。 3、國內(nèi)方面工藝和技術(shù)都相對落后，國外方面技術(shù)封鎖限制了高性能器件結(jié)構(gòu)的制作；微弱信號檢測技術(shù)有待提高，信號處理能力仍有待加強(qiáng)19。MEMS陀螺儀數(shù)據(jù)分析及方法MEMS陀螺儀應(yīng)用案例MEMS陀螺儀測試內(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陀螺儀研究工作的一部分。還有陀螺儀

14、信號提取與校準(zhǔn)，靈敏度測試、量程測試、線性度測試、固有頻率測試、抗過載能力測試等等，各種性能的測試。下面簡單就固有頻率、靈敏度、分辨率、線性度等陀螺性能的測試及方法進(jìn)行介紹。固有特性測試固有特性測試 陀螺特性陀螺特性測試測試柯氏效應(yīng)檢測柯氏效應(yīng)檢測固有頻率檢測方向Q值檢驗(yàn)敏感原理測試線性度測試內(nèi)容三軸轉(zhuǎn)臺測試驗(yàn)證檢測原理振動(dòng)臺測試原理圖固有頻率、頻響特性、帶寬等性能測試微機(jī)械陀螺檢測原理框圖敏感原理驗(yàn)證、靈敏度、分辨率測試等 利用前述方法測得傳感器輸出波形或數(shù)據(jù)，取不同輸入情況下的離散點(diǎn)，獲取批量數(shù)據(jù)，通過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

15、析陀螺儀線性度，對原始數(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)行對比分析。0246810121416182022102030405060708090100110120130140150160170180190Output voltage (mV)Acceleration (g) B Linear Fit of BEquationy = a + b*xAdj. R-Square0.99046ValueStandard ErrorBIntercept19.072311.92534BSlope7.507890.16469固有特性測試實(shí)驗(yàn)原理圖

16、測試結(jié)果傅里葉變換希爾伯特變換驅(qū)動(dòng)方向幅頻特性曲線 一種電磁驅(qū)動(dòng)式MEMS陀螺的固有頻率測試方法及數(shù)據(jù)處理 微機(jī)械陀螺體積小、功耗低、成本低、抗過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大、可集成化等優(yōu)點(diǎn)，可嵌入電子、信息與智能控制系統(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22 隨著先進(jìn)的微電子技術(shù)的發(fā)展，成本和價(jià)格也會大幅下降。其低廉的價(jià)格將使其在民用消費(fèi)領(lǐng)域也將具有廣闊的應(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、

17、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18。 生產(chǎn)成本、性能和可靠性是微機(jī)械陀螺商業(yè)化的關(guān)鍵因素。將產(chǎn)品成本降低到大規(guī)模汽車市場可接受的水平，需要精密微機(jī)械、高度真空封裝、高性能接口電路和電子調(diào)諧技術(shù)。另外，在一個(gè)芯片上組合多軸或多種微機(jī)械傳感器是微機(jī)械慣性傳感器的重要發(fā)展方向。 通過MEMS技術(shù)的學(xué)習(xí)使我了解了更多關(guān)于MEMS技術(shù)方面的知識，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)的表征和測試技術(shù)，以及MEMS技術(shù)在生產(chǎn)生活及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國防建設(shè)中的應(yīng)用。主要參考文獻(xiàn)：1 http:/ 李新剛, 袁建平. 微機(jī)械陀螺的發(fā)展現(xiàn)狀J.力學(xué)進(jìn)

18、展2003: 33(3), 289-3013 王喆垚. 微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造M. 北京: 清華大學(xué)出版社.4 Lutz M, et al. A precision yaw rate sensor in silicon micromachining. In: Transducers97, 847-850. 5 Mikko Saukoski, Lasse Aaltonen, Teemu Salo.Kari A.I. Halonen. Interface and control electronics for a bulk micromachined capacitive gyroscope. Sens

19、ors and Actuators A 147 (2008) 183193.6 Adam R. Schofield, Alexander A. Trusov, Andrei M. Shkel. Micromachined gyroscope concept allowing interchangeable operation in both robust and precision modes. Sensors and Actuators A 165 (2011) 35-42.7 Geen J, et al. Single-chip surface micromachined integrat

20、ed gyroscope with 50/h Allan deviation. IEEE JSSC, 2002, 37: 1860-1866.8 Geen J, Krakauer D. New iMEMS angular-rate-sensing gyroscope. Analog Dialogue, 37-03,2003.9 Geen J. Progress in integrated gyroscopes. IEEE A&E Systems magazine, 2004, 11: 12-17.10 余才佳，楊衛(wèi)民，王小斌. 硅微陀螺在導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制領(lǐng)域的應(yīng)用. 第三屆中國導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制學(xué)術(shù)會議.2009.11 http:/ Xinxin Li, Minhang Bao, Heng Yang, Shaoqun Shen, Deren Lu. A micromachined piezoresistive angular rate sensor with a composite beam structure. Sensor and Actuators. 72 (1999): 217-223.主要參考文獻(xiàn)：13 王喆垚. 微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造M. 北京: 清華大學(xué)出版社.14