MEMS陀螺儀發(fā)展綜述及技術(shù)研究12MEMS陀螺儀研究背景MEMS陀螺儀基本知識目錄31、MEMS陀螺儀研究背景MEMS陀螺儀應(yīng)用領(lǐng)域MEMS陀螺儀國外研究現(xiàn)狀MEMS陀螺儀基本概念MEMS陀螺儀國內(nèi)研究現(xiàn)狀MEMS陀螺儀主要性能指標(biāo)5基于微機(jī)械加工工藝制造的陀螺儀稱為MEMS陀螺儀。MEMS陀螺儀主要有轉(zhuǎn)子式、振動式和介質(zhì)類三種。目前，MEMS陀螺儀的主流是振動式的，轉(zhuǎn)子式和介質(zhì)類的MEMS陀螺較為少見。體積微小的微機(jī)械陀螺1.1MEMS陀螺儀基本概念61.2MEMS陀螺儀主要性能指標(biāo)陀螺儀的核心技術(shù)指標(biāo)是零偏穩(wěn)定性和角度隨機(jī)游走。按照零偏穩(wěn)定性的大小以及其它主要性能指標(biāo)的不同，可將陀螺儀分為三個級別：慣性級、戰(zhàn)術(shù)級和速率級。性能指標(biāo)慣性級戰(zhàn)術(shù)級速率級零偏漂移(deg/h)<0.010.01~1010~1000角度隨機(jī)游走系數(shù)(deg/√h)<0.0010.001~0.5>0.5標(biāo)度因數(shù)非線性度（%）<0.0010.001~0.10.1~1滿量程范圍（deg/s）>400>50030~1000帶寬（Hz）~100~100>70應(yīng)用范圍飛機(jī)、船舶、航天器等航向參考系統(tǒng)、制導(dǎo)導(dǎo)彈等移動終端、汽車、照相機(jī)等不同級別陀螺儀的性能指標(biāo)要求71.3MEMS陀螺儀應(yīng)用領(lǐng)域

微機(jī)械陀螺體積小、功耗低、成本低、抗過載能力強(qiáng)、動態(tài)范圍大、可集成化等優(yōu)點，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81.3MEMS陀螺儀應(yīng)用領(lǐng)域

隨著先進(jìn)的微電子技術(shù)的發(fā)展，成本和價格也會大幅下降。其低廉的價格將使其在民用消費領(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、計算機(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。10Bosch公司研制的輪式微陀螺結(jié)構(gòu)Michigan大學(xué)研制的環(huán)式微陀螺結(jié)構(gòu)10（a）雙質(zhì)量音叉式（b）四質(zhì)量擺式結(jié)構(gòu)（c）盤式諧振結(jié)構(gòu)加州大學(xué)Irvine分校研制的微機(jī)電陀螺結(jié)構(gòu)12（a）振動輪式結(jié)構(gòu)（b）雙解耦Z軸體硅陀螺結(jié)構(gòu)東南大學(xué)研制的微機(jī)械陀螺儀（a）振動輪式結(jié)構(gòu)（b）線振動解耦陀螺結(jié)構(gòu)清華大學(xué)研制的微機(jī)械陀螺儀142.1MEMS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模式激勵到另一種振動模式，后一種振動模式的振幅與輸入角速度的大小成正比，通過測量振幅實現(xiàn)對角速度的測量?？率霞铀俣仁莿訁⑾档霓D(zhuǎn)動與動點相對動參系運動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俣仁噶俊Ｅ袛喾椒ò凑沼沂中M(jìn)規(guī)則進(jìn)行判斷ωVac15ωyxacV

假如質(zhì)點以非?？斓乃俣妊剞D(zhuǎn)盤徑向做簡諧振動，利用右手旋進(jìn)準(zhǔn)則可判斷出，質(zhì)點將在轉(zhuǎn)盤上不停地沿垂直于簡諧振動方向和轉(zhuǎn)盤角速度兩方向垂直的第三方向振動，利用這一原理就可制作出微機(jī)械陀螺（右圖為電磁驅(qū)動共振隧穿效應(yīng)檢測的微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)）。2.1MEMS陀螺儀基本原理162.1MEMS陀螺儀基本原理MEMS陀螺儀驅(qū)動及檢測原理左圖為清華大學(xué)2004年提出的數(shù)字化測控電路原理圖172.2MEMS陀螺儀分類及結(jié)構(gòu)

微機(jī)構(gòu)陀螺可以從以下幾個方面進(jìn)行劃分：振動結(jié)構(gòu)，材料，加工方式，驅(qū)動方式，檢測方式和工作模式。微機(jī)械陀螺分類按振動結(jié)構(gòu)按材料按加工方式旋轉(zhuǎn)振動結(jié)構(gòu)線性振動結(jié)構(gòu)振動盤結(jié)構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)陀螺正交線振動結(jié)構(gòu)非正交線振動結(jié)構(gòu)振動平板結(jié)構(gòu)振動梁結(jié)構(gòu)振動音叉結(jié)構(gòu)加速度計振動結(jié)構(gòu)振動平板結(jié)構(gòu)振動梁結(jié)構(gòu)振動音叉結(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)182.2MEMS陀螺儀分類及結(jié)構(gòu)

微機(jī)構(gòu)陀螺可以從以下幾個方面進(jìn)行劃分：振動結(jié)構(gòu)，材料，加工方式，驅(qū)動方式，檢測方式和工作模式。微機(jī)械陀螺分類按振動結(jié)構(gòu)按材料按加工方式旋轉(zhuǎn)振動結(jié)構(gòu)線性振動結(jié)構(gòu)振動盤結(jié)構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)陀螺正交線振動結(jié)構(gòu)非正交線振動結(jié)構(gòu)振動平板結(jié)構(gòu)振動梁結(jié)構(gòu)振動音叉結(jié)構(gòu)加速度計振動結(jié)構(gòu)振動平板結(jié)構(gòu)振動梁結(jié)構(gòu)振動音叉結(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)20

微機(jī)構(gòu)陀螺可以從以下幾個方面進(jìn)行劃分：振動結(jié)構(gòu)，材料，加工方式，驅(qū)動方式，檢測方式和工作模式。微機(jī)械陀螺分類按驅(qū)動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)模式全角模式2.2MEMS陀螺儀分類及結(jié)構(gòu)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，而非轉(zhuǎn)導(dǎo)作用部分檢測方式的MEMS陀螺性能對比2.2MEMS陀螺儀分類及結(jié)構(gòu)23有限元軟件靜態(tài)分析優(yōu)化設(shè)計模態(tài)分析瞬態(tài)分析諧響應(yīng)分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)參數(shù)哥氏效應(yīng)振動幅值限位位移振型和頻率敏感器件位置路徑分析2.3MEMS陀螺儀設(shè)計流程及工具常用的有限元軟件：ANSYS、COMSOL3.1MEMS陀螺儀設(shè)計流程及工具結(jié)構(gòu)設(shè)計靈敏度頻率匹配Q值設(shè)計初始化尺寸軟件優(yōu)化理論計算優(yōu)化尺寸靈敏度噪聲檢驗26工作原理示意圖動力學(xué)模型動力學(xué)方程諧振狀態(tài)下工作模態(tài)穩(wěn)態(tài)解2.3MEMS陀螺儀設(shè)計流程及工具27工作原理示意圖動力學(xué)模型動力學(xué)方程諧振狀態(tài)下工作模態(tài)穩(wěn)態(tài)解2.3MEMS陀螺儀設(shè)計流程及工具靈敏度：結(jié)論：當(dāng)ω=ωx=ωz

時，陀螺的檢測靈敏度最高。28典型MEMS制造工藝流程2.4MEMS陀螺儀工藝方法30常用的MEMS器件加工工藝方法(1)刻蝕淺槽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工藝2.4MEMS陀螺儀工藝方法31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。2.4MEMS陀螺儀工藝方法321、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MEMS的設(shè)計、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