微陀螺儀的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程

實(shí)用文檔學(xué)校：華中科技大學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓名：潘登班級(jí)：1104班學(xué)號(hào)：U201110689指導(dǎo)老師：廖廣蘭來(lái)五星標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔中文摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及科研技術(shù)的逐漸成熟。陀螺儀也逐漸進(jìn)入了各個(gè)領(lǐng)類，諸如哥氏加速度效應(yīng)微振動(dòng)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。而其中隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，以其為基礎(chǔ)的微陀螺因尺寸小、精度高、重量輕、易于數(shù)字化、智能化而越來(lái)越受到未來(lái)高科技戰(zhàn)場(chǎng)上擁有廣闊的發(fā)展和市場(chǎng)前景。構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析并且分析了微機(jī)械陀螺儀的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程和工藝方法并對(duì)其中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，也對(duì)加工陀螺儀必須的MEMS工藝進(jìn)行了概述，然后對(duì)微陀螺儀的前景及應(yīng)用進(jìn)行了進(jìn)一步的探討。關(guān)鍵詞：微機(jī)械陀螺儀，MEMS工藝，制作過(guò)程，關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnologyaswellasscientificresearchandtechnologymatures.Gyroscopeisgraduallycomingintothefields.Nowgyroscopehasbroadapplicationinmarinenavigation,aerospace,researchdynamics,weapons,cars,bio-medicine,environmentalmonitoring,etc.Andalsobecauseofthevariousgyroscopedifferentprinciplesandhavedifferentclassifications,suchastheCoriolisaccelerationeffectofmicro-vibrationgyro,gyrofluid,solidmicro-gyroscope,suspendedgyroscoperotormicro,micro-gyroscopeintegratedopticalandatomicgyroscope.WiththecontinuousdevelopmentofwhichMEMStechnology,withitsmicro-gyroscope-basedduetothesmallsize,highprecision,lightweight,easy-to-digital,intelligentandincreasinglybeingfavored.Ithasabroaddevelopmentandmarketprospectsinthecarnavigation,consumerelectronicsandmobileapplicationsandothercivilianareasaswellasmodernandhigh-techbattlefieldfortheforeseeablefuture.Thearticlefirstgyroscopedoasimpleprincipleandfunctiondescription,describesthecurrentmicro-gyroscopeisaverypromisinglineofresearch,andabriefintroductiontosomecommonmicro-gyroscope,thenthestructureofthemicro-gyroscopesimpleanalysisandanalysisofthemicromachinedgyroscopedesignandmanufacturingprocessandprocessmethodsandtechnicaldifficultieswhichwereanalyzed,butalsoontheprocessingofMEMSgyroscopemustbeanoverviewoftheprocess,thentheprospectsforandapplicationofmicro-gyroscopeswerefurtherdiscussion.Keywords：Micromechanicalgyroscopes,MEMStechnology,productionprocess,keytechnologies標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔目錄1微機(jī)械陀螺儀研究背景…………………11.1概念簡(jiǎn)介………11.2MEMS陀螺儀研究歷史及發(fā)展現(xiàn)狀……………11.3研究目的………11.4研究方法………22微機(jī)械陀螺儀原理與結(jié)構(gòu)………………52.1MEMS陀螺儀基本原理…………52.2MEMS陀螺儀分類及結(jié)構(gòu)………63微機(jī)械陀螺儀設(shè)計(jì)及制造………………63.1MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)流程…………63.2MEMS陀螺儀工藝方法…………73.3MEMS陀螺儀技術(shù)難點(diǎn)…………84微機(jī)械陀螺儀測(cè)試及應(yīng)用……………84.1MEMS陀螺儀測(cè)試內(nèi)容及手段…………………84.2MEMS陀螺儀應(yīng)用………………105關(guān)于微機(jī)械陀螺儀發(fā)展的思考………116小結(jié)與體會(huì)……………11參考文獻(xiàn)……………………12標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔11.1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MicroElectroMechanicalsystems的縮寫(xiě)，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，具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、可靠性好、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)控制、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。1.2MEMS陀螺儀研究歷史及發(fā)展現(xiàn)狀德國(guó)Daimler國(guó)家，已有商業(yè)化產(chǎn)品。[4-9]我國(guó)的MEMS技術(shù)研究工作起步較晚，但正積極開(kāi)展研究，國(guó)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、中科院上海微系統(tǒng)所、復(fù)旦大學(xué)、哈工大等多家單位，經(jīng)過(guò)十多年的努力，在[10-15]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(guó)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。1.3研究目的可見(jiàn)，微機(jī)械的加工以及制造時(shí)十分困難的。1.5mm小。那么，要加工如此細(xì)微的零件，對(duì)于機(jī)械裝備、機(jī)械技術(shù)以及加工人員的考驗(yàn)是非常大的。而且，不像是傳統(tǒng)普通零件加工，可以出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)的誤標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔差。對(duì)于如此之小的微型機(jī)械，一旦加工之中出現(xiàn)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。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出現(xiàn)問(wèn)題，不管是哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題，也不管是這個(gè)環(huán)節(jié)多么細(xì)微，整個(gè)生產(chǎn)情況都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題。如果是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題，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。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。如果是加工工藝出現(xiàn)了問(wèn)題，那么就需要重新編排加工工藝。所以，對(duì)于微陀螺儀的研究目的，就是減少生產(chǎn)損失，增加生產(chǎn)成功率，減少生產(chǎn)廢品率，保證投資得到良好的回報(bào)。1.4研究辦法向力。微陀螺儀的原理：圖標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔微機(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Ωz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（1.1）計(jì)算。（1.1）式中：F(t)是哥氏力，m是該物體的質(zhì)量，ΩZ是坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的角速度，是該物體的矢量速度。測(cè)算的零件材料和方法是不同的。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，微陀螺儀必須要有足夠的耐用度。所以，微陀螺儀的研究方法，基本上可以概括為做實(shí)驗(yàn)。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)入了加工工藝編排過(guò)程。事了。微機(jī)械加工的時(shí)候，對(duì)于車間的溫度、氣壓、空氣的清潔度、加工人員的造成極大的損失，以后處理起來(lái)也會(huì)十分困難。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔電磁驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)；③電磁驅(qū)動(dòng)，壓阻檢測(cè)；④壓電驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)。其中利剛線振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)：②雙框架結(jié)構(gòu)，它利用角振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。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。括很多方面：賣不出去，那到時(shí)候就虧大了磨損什么的也就很少。生產(chǎn)工藝復(fù)雜的微陀螺儀，成功率也就會(huì)相應(yīng)的減少，產(chǎn)生的利潤(rùn)也就減少，得不償失。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。如果是運(yùn)成本了。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔22.1MEMS陀螺儀基本原理正比，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旋進(jìn)規(guī)則進(jìn)行判斷。yx簡(jiǎn)諧振動(dòng)柯氏加速度圖圖應(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/圖反饋信號(hào)放大電路高通濾波低通濾波圖標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔放大濾波電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)跟隨電路移相電路輸出信號(hào)圖2.2MEMS陀螺儀分類及結(jié)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。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:速率陀螺以及速率積分陀螺。按加工方式分:體框架式、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。33.1MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)流程滿足環(huán)保要求尺精溫腐工工寸度度蝕藝藝可可兼兼兼重行行容容容復(fù)性性性性性性原形尺理狀寸最最最優(yōu)優(yōu)優(yōu)化化化圖標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔圖理論分析仿真分析圖作用：進(jìn)行結(jié)果的相互對(duì)比、驗(yàn)證與校核3.2MEMS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。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔具體的常用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、擴(kuò)散、注入、濺射、敏感部件與陀螺結(jié)構(gòu)之間的連接。3.3MEMS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)較宏觀情況明顯變化，宏觀物理定律已經(jīng)不能完全對(duì)MEMS和指導(dǎo)。這些因素限制妨礙了微機(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)處理能力仍有待加強(qiáng)。44.1MEMS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)度測(cè)試、固有頻率測(cè)試、抗過(guò)載能力測(cè)試等等，性能的測(cè)試。下面簡(jiǎn)單就固有頻率、靈敏度、分辨率、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)試柯氏效應(yīng)檢測(cè)測(cè)試線性度標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔4.2MEMS陀螺儀應(yīng)用微機(jī)械陀螺體積小、功耗低、成本低、抗過(guò)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。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。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)用圖標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔5,重點(diǎn)是發(fā)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);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)能力。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,導(dǎo)，也是一個(gè)重要的發(fā)展空間。故而微機(jī)械陀螺儀的研究更是重中之重。6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)，以及MEMS技術(shù)在生產(chǎn)生活及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)中的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔［1］電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2011，25(8):704－710．［2］傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(5):24－26．［3］LAIACMOS－MEMSsingle－chipdual－axisgyroscope［C］．IEEEInternationalMicrosystemsPackingAssemblyandCircuitsTechnologyConference，2009:305－307．［4］高技術(shù)通訊，2006，16(10):1034－1038．［5］吳其松，楊海鋼，張翀，等．一種適用于MEMS陀螺儀的高性能電容讀出電路［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31(4):937－943．5):97－100．［7］中國(guó)機(jī)械工程，2006，17(16):1679－1682．［8］張明，陳德勇，王軍波．程，2010，18(11):2454－2460．［9］納米技術(shù)與精密工程，2011，9(3):265－269．［10］SAIDEA，KIVANCA，TAYFUNA．Ahigh－performancesilicon－on－insulatorMEMSgyroscopeoperatingatatmosphericpressure［J］．SensorsandActuators，2007，135(2):34－42．［11］李建利，房建成，盛蔚等．雙質(zhì)量塊調(diào)諧輸出式硅MEMS陀螺儀的理論計(jì)算及仿真［J］．光學(xué)精密工程，2008，16(3):484－491．［12］ALPERSASingle－crystalsiliconsymmetricalanddecoupledMEMSgyroscopeonaninsulatingsubstrate［J］．JournalofMicroelectromechanicalSystems，2005，14(4):707－717．標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用文檔［13］殷勇，王壽榮，王存超，等．結(jié)構(gòu)解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與仿真［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，38(5):918－922．［14］殷勇，王壽榮，王存超等．中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，16(6):703－711．［15］溫姣，常艷輝，梁永生．一種新型微機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與仿真［J］．計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2010(8):104．［16］何曉磊，蘇巖．采用DDSOG工藝加工Z東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，35(4):545－548．［17］施芹，蘇巖，裘安萍，等．MEMS光學(xué)精密工程，2009，17(8):1987－1992．［18］SUNHongzhi，JIAYingtao，etal．AmonolithicinertialmeasurementunitfabricatedwithimprovedDRIEpost－CMOSprocess［C］．Proceeding