微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)講義課件

微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)

劉志軍2120120999檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置搭訕電話慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)劉志傳感器信號(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(chē)、電子和軍事等行業(yè)。美國(guó)：微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）

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

（MicroSystemTechnology）日本：微機(jī)械（Micromachine）MEMS簡(jiǎn)介傳感器信號(hào)處理執(zhí)行器MEMS簡(jiǎn)介

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(chēng)為微機(jī)電系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)的尺寸在微小尺寸范圍內(nèi)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。MEMS的特點(diǎn)1.微型化:MEMS器件體積小、重量輕、耗能低微慣性器件類(lèi)別微機(jī)電加速度計(jì)微陀螺儀微慣性器件類(lèi)別微機(jī)電加速度計(jì)微加速度計(jì)、微陀螺儀外觀微加速度計(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(kāi)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(kāi)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。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(kāi)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.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。隧道電流式加速度計(jì)(tunnelingbasedmicr

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。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，清華大懸臂梁式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)圖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2.電容式加速度微傳感器三軸式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3.諧振式加速度傳感器4.隧道式加速度微傳感器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(chē)輛舒適性微機(jī)電加速度計(jì)應(yīng)用1.傾斜測(cè)量和調(diào)平系統(tǒng)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。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)MEMS在汽車(chē)中的應(yīng)用MEMS在汽車(chē)中的應(yīng)用提高電梯車(chē)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(chē)傾斜控制系統(tǒng)，磁懸浮列車(chē)的位置監(jiān)控，提供安全與維護(hù)的精準(zhǔn)列車(chē)定位和鐵路軌道監(jiān)控系統(tǒng)。

提高電梯車(chē)輛舒適性提供安全與舒適的轉(zhuǎn)向架監(jiān)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(lèi)基本概念及組成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(lèi)基本概1.1基本概念及組成陀螺儀也稱(chēng)角速率傳感器，是用來(lái)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(jiàn)，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(lèi)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。1.1基本概念及組成陀螺儀也稱(chēng)角速率傳感器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(guò)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(guò)10萬(wàn)小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬(wàn)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cori1.2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(guò)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(guò)10萬(wàn)小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬(wàn)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cori1.3微機(jī)械陀螺分類(lèi)微機(jī)械陀螺分類(lèi)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(pán)結(jié)構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤(pán)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)1.3微機(jī)械陀螺分類(lèi)微機(jī)械陀螺分類(lèi)按振動(dòng)結(jié)構(gòu)按材料按加工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(lèi)微機(jī)械陀螺分類(lèi)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(kāi)環(huán)模式整角模式1.3微機(jī)械陀螺分類(lèi)微機(jī)械陀螺分類(lèi)按驅(qū)動(dòng)方式按檢測(cè)方式壓壓電驅(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)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(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、汽車(chē)、電子玩具等領(lǐng)域，成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。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(wú)商業(yè)化產(chǎn)品，處于研究階段。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、AD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)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)振動(dòng)環(huán)式電容北京大學(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)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)22m從國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)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mV級(jí)從國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)總結(jié)如下：5、微機(jī)械陀螺應(yīng)用微機(jī)械陀螺目前精度在10-2°/h左右，還將進(jìn)一步提高到10-3°/h。隨著先進(jìn)的微電子技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)微機(jī)械陀螺的價(jià)格將會(huì)在一美元到幾百美元之間。其低廉的價(jià)格使其具有廣闊的應(yīng)用前景，有望在一些新的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如車(chē)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)，甚至是玩具上。5、微機(jī)械陀螺應(yīng)用微機(jī)械陀螺目前精度在10-智能手機(jī)中汽車(chē)中空中無(wú)線鼠標(biāo)中數(shù)碼相機(jī)中智能機(jī)器人中應(yīng)用舉例智能手機(jī)中汽車(chē)中空中無(wú)線鼠標(biāo)中數(shù)碼相機(jī)中智能機(jī)器人中應(yīng)用舉例應(yīng)用前景展望在MEMS中還存在著大量具有挑戰(zhàn)性的力、磁、電等問(wèn)題需要研究,對(duì)這些問(wèn)題的有效解決則將會(huì)加快推動(dòng)微機(jī)械陀螺儀技術(shù)的發(fā)展1、應(yīng)用比重增大2、仍然面臨挑戰(zhàn)過(guò)去幾十年內(nèi)，在汽車(chē)工業(yè)需求的推動(dòng)下,微陀螺技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，隨著對(duì)傳感器小型化、集成化的應(yīng)用需求，其在應(yīng)用領(lǐng)域中的比重將會(huì)不斷增大。

應(yīng)用前景展望在MEMS中還存在著大量具有挑戰(zhàn)性微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)

劉志軍2120120999檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置搭訕電話慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)劉志傳感器信號(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(chē)、電子和軍事等行業(yè)。美國(guó)：微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）

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

（MicroSystemTechnology）日本：微機(jī)械（Micromachine）MEMS簡(jiǎn)介傳感器信號(hào)處理執(zhí)行器MEMS簡(jiǎn)介

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(chēng)為微機(jī)電系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)的尺寸在微小尺寸范圍內(nèi)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。MEMS的特點(diǎn)1.微型化:MEMS器件體積小、重量輕、耗能低微慣性器件類(lèi)別微機(jī)電加速度計(jì)微陀螺儀微慣性器件類(lèi)別微機(jī)電加速度計(jì)微加速度計(jì)、微陀螺儀外觀微加速度計(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(kāi)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(kāi)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。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(kāi)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.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。隧道電流式加速度計(jì)(tunnelingbasedmicr

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。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，清華大懸臂梁式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)圖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2.電容式加速度微傳感器三軸式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3.諧振式加速度傳感器4.隧道式加速度微傳感器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(chē)輛舒適性微機(jī)電加速度計(jì)應(yīng)用1.傾斜測(cè)量和調(diào)平系統(tǒng)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。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)MEMS在汽車(chē)中的應(yīng)用MEMS在汽車(chē)中的應(yīng)用提高電梯車(chē)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(chē)傾斜控制系統(tǒng)，磁懸浮列車(chē)的位置監(jiān)控，提供安全與維護(hù)的精準(zhǔn)列車(chē)定位和鐵路軌道監(jiān)控系統(tǒng)。

提高電梯車(chē)輛舒適性提供安全與舒適的轉(zhuǎn)向架監(jiān)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(lèi)基本概念及組成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(lèi)基本概1.1基本概念及組成陀螺儀也稱(chēng)角速率傳感器，是用來(lái)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(jiàn)，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(lèi)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。1.1基本概念及組成陀螺儀也稱(chēng)角速率傳感器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(guò)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(guò)10萬(wàn)小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬(wàn)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cori1.2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(guò)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(guò)10萬(wàn)小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬(wàn)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cori1.3微機(jī)械陀螺分類(lèi)微機(jī)械陀螺分類(lèi)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(pán)結(jié)構(gòu)陀螺旋轉(zhuǎn)盤(pán)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)1.3微機(jī)械陀螺分類(lèi)微機(jī)械陀螺分類(lèi)按振動(dòng)結(jié)構(gòu)按材料按加工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(lèi)微機(jī)械陀螺分類(lèi)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(kāi)環(huán)模式整角模式1.3微機(jī)械陀螺分類(lèi)微機(jī)械陀螺分類(lèi)按驅(qū)動(dòng)方式按檢測(cè)方式壓壓電驅(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)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(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、汽車(chē)、電子玩具等領(lǐng)域，成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。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(wú)商業(yè)化產(chǎn)品，處于研究階段。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、AD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)