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1、MEMS陀螺仪发展综述及技术研究,1,2,MEMS陀螺仪研究背景,MEMS陀螺仪基本知识,目录,3,1、 MEMS陀螺仪研究背景,MEMS陀螺仪应用领域,MEMS陀螺仪国外研究现状,MEMS陀螺仪基本概念,MEMS陀螺仪国内研究现状,MEMS陀螺仪主要性能指标,4,1.1 MEMS陀螺仪基本概念,陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体转动角速度或角位移的传感器。 按照制作原理及结构可将其大致分为转子陀螺仪、光学陀螺仪、振动陀螺仪三类。 振动式陀螺是基于柯氏效应工作的机械陀螺，可动部件为谐振子，谐振子的加工工艺主要有传统工艺和微机械加工工艺两种方式。,各种原理的陀螺仪,5,基于微机械加工工艺制造
2、的陀螺仪称为MEMS陀螺仪。 MEMS陀螺仪主要有转子式、振动式和介质类三种。目前，MEMS陀螺仪的主流是振动式的，转子式和介质类的MEMS陀螺较为少见。,体积微小的微机械陀螺,1.1 MEMS陀螺仪基本概念,6,1.2 MEMS陀螺仪主要性能指标,陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性和角度随机游走。按照零偏稳定性的大小以及其它主要性能指标的不同，可将陀螺仪分为三个级别：惯性级、战术级和速率级。,不同级别陀螺仪的性能指标要求,7,1.3 MEMS陀螺仪应用领域,微机械陀螺体积小、功耗低、成本低、抗过载能力强、动态范围大、可集成化等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，
3、而且总体性能大幅提升，因此在现代军事领域具有广泛的应用前景。 在陀螺仪的传统应用领域，国防军事应用中，高精度微机械陀螺将可用于导弹、航空航天、超音速飞行器等高精度需求的军用产品中,9,1.4 MEMS陀螺仪国外研究现状,微机械陀螺的研究始于20世纪80年代，经过几十年的研究国外相关已经比较成熟，众多科研单位及公司如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学，德国Daimler Benz公司、Bosch公司，挪威的Sensornor，日本Toyota公司，以及土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。其中Boeing 公司的8mm 直径DRG 的最好性能为零偏重复性0.01/h、角度随机
4、游走0.002/rt-hr。Sensornor公司也发布了零偏稳定性0.05/h 的产品。国外研究的目标是研制零偏稳定性优于0.01/h的惯性级微机电陀螺，逐步取代激光陀螺和光纤陀螺等传统产品。 产品。,(a) 框架式,(b) 音叉式,Draper 实验室的微机电陀螺结构,10,Bosch 公司研制的轮式微陀螺结构,Michigan大学研制的环式微陀螺结构,10,（a）双质量音叉式 （b）四质量摆式结构 （c）盘式谐振结构 加州大学Irvine 分校研制的微机电陀螺结构,11,1.5 MEMS陀螺仪国内研究现状,我国的MEMS 技术研究工作起步较晚，但正积极开展研究，国家已经投入巨资用于MEM
5、S陀螺技术的研究。目前主要的科研单位有清华、北大、中科院上海微系统所、东南大学、国防科大、哈工大等多家单位，经过十多年的努力，在基础理论、加工技术和工程应用等方面的研究已取得了明显的进步。但不可否认，与国外差距仍然较大，高性能微机械陀螺少有商业化产品。,（a）振动轮式结构,（b）双质量块陀螺结构,北京大学研制的微机械陀螺仪,12,（a）振动轮式结构,（b）双解耦Z 轴体硅陀螺结构,东南大学研制的微机械陀螺仪,（a）振动轮式结构,（b）线振动解耦陀螺结构,清华大学研制的微机械陀螺仪,13,2、 MEMS陀螺仪基本知识,MEMS陀螺仪分类及基本结构,MEMS陀螺仪基本原理,MEMS陀螺仪工艺方法,
6、MEMS陀螺仪制造技术难点,MEMS陀螺仪设计流程及工具,14,2.1 MEMS陀螺仪基本原理,微机械陀螺的基本原理是利用柯氏力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。,柯氏加速度是动参系的转动与动点相对动参系运动相互耦合引起的加速度。柯氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量。判断方法按照右手旋进规则进行判断,V,ac,15,ac,V,假如质点以非常快的速度沿转盘径向做简谐振动，利用右手旋进准则可判断出，质点将在转盘上不停地沿垂直于简谐振动方向和转盘角速度两方向垂直的第三方向振动，利用这一原
7、理就可制作出微机械陀螺（右图为电磁驱动共振隧穿效应检测的微机械陀螺结构）。,2.1 MEMS陀螺仪基本原理,16,2.1 MEMS陀螺仪基本原理,MEMS陀螺仪驱动及检测原理,左图为清华大学2004年提出的数字化测控电路原理图,17,2.2 MEMS陀螺仪分类及结构,微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。,微机械陀螺分类,按振动结构,按材料,按加工方式,旋转振动结构,线性振动结构,振动盘结构陀螺,旋转盘结构陀螺,正交线振动结构,非正交线振动结构,振动平板结构,振动梁结构,振动音叉结构,加速度计振动结构,振动平板结构,振动梁结构,振动音叉结
8、构,单晶硅,多晶硅,石英,其它,硅材料,非硅材料,体微机械加工,表面微机械加工,LIGA(光刻、电铸和注塑),18,2.2 MEMS陀螺仪分类及结构,微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。,微机械陀螺分类,按振动结构,按材料,按加工方式,旋转振动结构,线性振动结构,振动盘结构陀螺,旋转盘结构陀螺,正交线振动结构,非正交线振动结构,振动平板结构,振动梁结构,振动音叉结构,加速度计振动结构,振动平板结构,振动梁结构,振动音叉结构,单晶硅,多晶硅,石英,其它,硅材料,非硅材料,体微机械加工,表面微机械加工,LIGA(光刻、电铸和注塑),表面工艺
9、结构,体硅工艺结构,19,微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。,微机械陀螺分类,按驱动方式,按检测方式,压电式,静电式,电磁式,压电检测,电容检测,压阻式检测,光学检测,隧道效应检测,按工作模式,速率陀螺,速率积分陀螺,闭环模式,开环模式,全角模式,2.2 MEMS陀螺仪分类及结构,20,微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。,微机械陀螺分类,按驱动方式,按检测方式,压电式,静电式,电磁式,压电检测,电容检测,压阻式检测,光学检测,隧道效应检测,按工作模式,速率陀螺,速率积分陀螺,
10、闭环模式,开环模式,全角模式,2.2 MEMS陀螺仪分类及结构,部分检测方式的MEMS陀螺性能对比,2.2 MEMS陀螺仪分类及结构,22,结构设计方法,结构设计相关内容,作用：进行结果的相互对比、验证与校核,2.3 MEMS陀螺仪设计流程及工具,23,有限元软件,静态分析,优化设计,模态分析,瞬态分析,谐响应分析,结构应力,结构参数,哥氏效应,振动幅值 限位位移,振型和频率,敏感器件位置,路径分析,2.3 MEMS陀螺仪设计流程及工具,常用的有限元软件：ANSYS、COMSOL,3.1 MEMS陀螺仪设计流程及工具,结构 设计,灵敏度,频率匹配,Q值设计,初始化尺寸,软件优化,理论计算,优化
11、尺寸,灵敏度,噪 声,检验,25,2.3 MEMS陀螺仪设计流程及工具,结构 设计,灵敏度,频率匹配,Q值设计,初始化尺寸,软件优化,理论计算,优化尺寸,灵敏度,噪 声,检验,26,工作原理示意图,动力学模型,动力学方程,谐振状态下工作模态稳态解,2.3 MEMS陀螺仪设计流程及工具,27,工作原理示意图,动力学模型,动力学方程,谐振状态下工作模态稳态解,2.3 MEMS陀螺仪设计流程及工具,灵敏度：,结论：当=x=z 时，陀螺的检测灵敏度最高。,28,典型MEMS制造工艺流程,2.4 MEMS陀螺仪工艺方法,29,常用的MEMS器件加工工艺方法,表面工艺,2.4 MEMS陀螺仪工艺方法,先在
12、衬底表面生长薄膜，通过对薄膜进行光刻、刻蚀等形成结构。 优点：易于与IC集成。,30,常用的MEMS器件加工工艺方法,体硅深刻蚀释放工艺,体硅工艺,2.4 MEMS陀螺仪工艺方法,31,具体的常用MEMS器件加工工艺方法：,具体的刻蚀技术主要有光刻、湿法刻蚀、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀等一般用来制作MEMS陀螺结构； 主要的加工工艺有分子束外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀等技术用以加速度敏感部件及相应的电极和引线的制作；键合技术用于敏感部件与陀螺结构之间的连接。 划片和封装技术用于微陀螺结构及敏感部件组合体单体分离及外部连接引线制作等，完成微陀螺基本器件制作。,2.4 MEMS陀螺仪工艺方法,32,1、包括微机械陀螺应用在内的MEMS，力学参数较宏观情况明显变化，宏观物理定律已经不能完全对 MEMS 的设计、制造工艺、封装以及应用进行解释和指导。这些因素限制妨碍了微机械陀螺性能的提高21。,2、随着MEMS传感器尺寸的缩小，敏感部件也不断缩小，传统检测效应接近灵敏度极限，限制了高性能MEMS陀螺仪的发展，新效应新原理器件亟待开发19。,3、国内方面工艺和技术都相对落后，国外方面技术封锁限制了高性能器件结构的制作；微弱信号检测技术有待提高，信号处理能力仍有待加强19。,2.5 MEMS陀螺仪制造技术难点,33,Thank You!,