微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)

微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)傳感器信號(hào)處理執(zhí)行器MEMS是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造和控制。MEMS是多種學(xué)科的交叉融合，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，目前已成功地應(yīng)用于汽車、電子和軍事等行業(yè)。美國(guó)：微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）

（MicroElectroMechanicalSystem）微系統(tǒng)技術(shù)（MST）

（MicroSystemTechnology）日本：Micromachine）MEMS

微機(jī)電系統(tǒng)的尺寸

在微小尺寸范圍內(nèi)，機(jī)械依其特征尺寸可以劃分為1-10毫米的小型(Mini-)機(jī)械，1微米一1毫米的微型機(jī)械以及1納米一1微米的機(jī)械。所謂微型機(jī)械從廣義上包含了微小型和納米機(jī)械，但并非單純微小化，而是指可批量制作的集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及接口信號(hào)處理和控制電路、通訊和電源等于一體的微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-ElectronicMechanicalSystem-MEMS)或稱為微機(jī)電系統(tǒng)。MEMS的特點(diǎn)1.微型化:MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、回應(yīng)時(shí)間短。2以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良。3.大量生產(chǎn):用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。4.集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器數(shù)組、微執(zhí)行器數(shù)組，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。5.多學(xué)科交叉:MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集中了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。微慣性器件類別微機(jī)電加速度計(jì)微陀螺儀微加速度計(jì)、微陀螺儀外觀微機(jī)電加速度計(jì)發(fā)展1977年，美國(guó)斯坦福大學(xué)首先采用各向異性蝕刻與微光刻技術(shù)制成一種開環(huán)微型加速度計(jì)，并于20世紀(jì)8O年代初首次投放市場(chǎng)，隨后許多公司也紛紛仿效研制。在8O年代后半期，人們開始研究各種力平衡式硅微加速度計(jì)，并取得了巨大進(jìn)展。2O世紀(jì)9O年代后期，美國(guó)加州大學(xué)柏克利分校傳感器與執(zhí)行器研究中心(TheBerkeleySensorActuaterCenter.BSAC)，CSDL及Honeywell公司等相繼開展了硅微諧振式加速度計(jì)技術(shù)的研究，這種加速度計(jì)將被測(cè)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成諧振器的頻率變化，直接輸出數(shù)字信號(hào)，避免了微電容檢測(cè)的弊端.隧道電流式加速度計(jì)(tunnelingbasedmicromachinedsiliconaecelerometer，TMSA)是將微機(jī)械加工的微結(jié)構(gòu)與基于電子隧道效應(yīng)的新的高靈敏測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起形成的。，隧道電流硅微加速度計(jì)具有靈敏度高、信噪比大、動(dòng)態(tài)范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的新型傳感器。

國(guó)內(nèi)微機(jī)電加速度計(jì)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代初，清華大學(xué)、中國(guó)電科集團(tuán)第13研究所、49研究所、中國(guó)航天科技集團(tuán)時(shí)代電子公司、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、北京大學(xué)、東南大學(xué)、中北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)一重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)等多個(gè)單位先后從事這方面的研究工作，研制出的產(chǎn)品已能滿足中低精度的需求。懸臂梁式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)圖硅梁結(jié)構(gòu)圖硅梁結(jié)構(gòu)圖2.電容式加速度微傳感器三軸式電容式加速度微傳感器3.諧振式加速度傳感器4.隧道式加速度微傳感器5.伺服式加速度微傳感器微機(jī)電加速度計(jì)應(yīng)用1.傾斜測(cè)量和調(diào)平系統(tǒng)2.慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)3.醫(yī)療器械4.安全防撞系統(tǒng)5.提高電梯車輛舒適性4.安全防撞系統(tǒng)

傳感器分辨率靈敏度要求較高，保證適時(shí)發(fā)出氣囊充氣的指令。MEMS在汽車中的應(yīng)用提高電梯車輛舒適性

提供安全與舒適的轉(zhuǎn)向架監(jiān)控和診斷系統(tǒng)，改進(jìn)乘客舒適度的高速列車傾斜控制系統(tǒng)，磁懸浮列車的位置監(jiān)控，提供安全與維護(hù)的精準(zhǔn)列車定位和鐵路軌道監(jiān)控系統(tǒng)。

1、

微機(jī)械陀螺儀基本概念微機(jī)械陀螺特點(diǎn)微機(jī)械陀螺分類基本概念及組成1.1基本概念及組成陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)快慢的傳感器。微機(jī)械陀螺儀(MEMSgyroscope)主要有轉(zhuǎn)子式、振動(dòng)式微機(jī)械陀螺儀和微機(jī)械加速度計(jì)陀螺儀三種。由于工藝限制，在硅襯底上加工出可高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子并不容易，因此轉(zhuǎn)子式的微機(jī)械陀螺并不常見，而振動(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，微機(jī)械陀螺基本都是振動(dòng)式的，因此本文將著重對(duì)這類陀螺進(jìn)行介紹。振動(dòng)式微機(jī)械陀螺主要由支撐框架、諧振質(zhì)量塊，以及激勵(lì)和測(cè)量單元幾個(gè)部分構(gòu)成。1.2微機(jī)械陀螺特點(diǎn)MEMS陀螺儀是利用coriolis定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成和角速度成正比的直流電壓信號(hào)，其核心部件通過摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的，它主要特點(diǎn)是

優(yōu)點(diǎn)：

1.體積小、重量輕、功耗低。

2.成本低，加工工藝可保證大規(guī)模生產(chǎn)。

3.可靠性好，工作壽命超過10萬小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬g的沖擊。4.測(cè)量范圍大，一些MEMS陀螺儀測(cè)量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s缺點(diǎn)：

目前，各種微機(jī)械陀螺的角速度測(cè)量精度相對(duì)較低，漂移較大。1.2微機(jī)械陀螺特點(diǎn)MEMS陀螺儀是利用coriolis

定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成和角速度成正比的直流電壓信號(hào)，其核心部件通過摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的，它主要特點(diǎn)是

優(yōu)點(diǎn)：

1.體積小、重量輕、功耗低。

2.成本低，加工工藝可保證大規(guī)模生產(chǎn)。

3.可靠性好，工作壽命超過10萬小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬g的沖擊。4.測(cè)量范圍大，一些MEMS陀螺儀測(cè)量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s缺點(diǎn)：

目前，各種微機(jī)械陀螺的角速度測(cè)量精度相對(duì)較低，漂移較大。1.3微機(jī)械陀螺分類微機(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)表面工藝制作的微結(jié)構(gòu)體硅工藝制作的微結(jié)構(gòu)返回1.3微機(jī)械陀螺分類微機(jī)械陀螺分類按驅(qū)動(dòng)方式按檢測(cè)方式壓電式靜電式電磁式壓電檢測(cè)電容檢測(cè)壓阻式檢測(cè)光學(xué)檢測(cè)隧道效應(yīng)檢測(cè)按工作模式速率陀螺速率積分陀螺閉環(huán)模式開環(huán)模式整角模式壓電驅(qū)動(dòng)靜電驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)電磁驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)隧道效應(yīng)檢測(cè)4、微機(jī)械陀螺發(fā)展概述微機(jī)械陀螺以體積小、成本低、抗過載能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、汽車、電子玩具等領(lǐng)域，成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。微機(jī)械陀螺國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外：如美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室、ADI公司、Berkeley大學(xué)，德國(guó)DaimlerBenz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬蘭等國(guó)家，已有商業(yè)化產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)：有北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)所、中北大學(xué)等，都對(duì)陀螺進(jìn)行了深入的研究，取得了一定的成果，但無商業(yè)化產(chǎn)品，處于研究階段。德國(guó)Bosch公司芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)土耳其安卡拉中東科技大學(xué)日本MurataMfg.Co美國(guó)Michigan大學(xué)返回單位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)檢測(cè)機(jī)理靈敏度/分辨率噪聲/漂移美國(guó)Michigan大學(xué)振動(dòng)環(huán)式電容檢測(cè)25Hz帶寬下分辨率0.5/s7.2/h日本MurataMfg.Co獨(dú)立梁式電容驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)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)3mm×3mm電容檢測(cè)真空24mV/o/s大氣100μV/o/s/芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)框架式角振動(dòng)電容檢測(cè)信噪比51.6dB德國(guó)Bosch公司雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)18mV//s量程為100o/s國(guó)外微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)與性能指標(biāo)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)所返回單位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)檢測(cè)機(jī)理靈敏度噪聲/漂移北大諧振式電容檢測(cè)22mv/°/s清華角振動(dòng)電容檢測(cè)1.9mV/°/s/復(fù)旦雙質(zhì)量塊電容驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)電橋輸出0.22μV/°/s/中科院雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動(dòng)電容檢測(cè)9.8mV/°/s中北大學(xué)諧振式電容檢測(cè)0.7mV/°/s國(guó)內(nèi)微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)與性能指標(biāo)從國(guó)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(cè)方式：電容檢測(cè)的多4、使用的材料：都是Si基，靈敏度