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)

劉志軍2120120999檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置搭訕電話感器信號(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）歐洲：微系統(tǒng)技術(shù)（MST）

（MicroSystemTechnology）日本：微機(jī)械（Micromachine）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。懸臂梁式式加速度度微傳感感器結(jié)構(gòu)構(gòu)圖硅梁結(jié)構(gòu)構(gòu)圖硅梁結(jié)構(gòu)構(gòu)圖2.電容式加加速度微微傳感器器三軸式電電容式加加速度微微傳感器器3.諧振式加加速度傳傳感器4.隧道式加加速度微微傳感器器5.伺服式加加速度微微傳感器器微機(jī)電加加速度計(jì)計(jì)應(yīng)用1.傾斜測(cè)量量和調(diào)平平系統(tǒng)2.慣性導(dǎo)航航和制導(dǎo)導(dǎo)系統(tǒng)3.醫(yī)療器械械4.安全防撞撞系統(tǒng)5.提高電梯梯車輛舒舒適性4.安全防撞撞系統(tǒng)傳感器分分辨率靈靈敏度要要求較高高，保證證適時(shí)發(fā)發(fā)出氣囊囊充氣的的指令。。MEMS在汽車中中的應(yīng)用用提高電梯梯車輛舒舒適性提供安全全與舒適適的轉(zhuǎn)向向架監(jiān)控控和診診斷系統(tǒng)統(tǒng)，改進(jìn)進(jìn)乘客舒舒適度的的高速列列車傾斜斜控制系系統(tǒng)，磁磁懸浮列列車的位位置監(jiān)控控，提供供安全與與維護(hù)的的精準(zhǔn)列列車定位位和鐵路路軌道監(jiān)監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)。1、微機(jī)械陀陀螺儀基基本概念念微機(jī)械陀陀螺特點(diǎn)點(diǎn)微機(jī)械陀陀螺分類類基本概念念及組成成1.1基本概念念及組成成陀螺儀也也稱角速速率傳感感器，是是用來測(cè)測(cè)量物體體旋轉(zhuǎn)快快慢的傳傳感器。。微機(jī)械械陀螺儀儀(MEMSgyroscope)主要有轉(zhuǎn)子式、振動(dòng)式微機(jī)械陀陀螺儀和和微機(jī)械加加速度計(jì)計(jì)陀螺儀儀三種。由于工藝藝限制，，在硅襯襯底上加加工出可可高速旋旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子并不不容易，，因此轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子式的的微機(jī)械械陀螺并并不常見見，而振振動(dòng)式和和微加速速度計(jì)式式的微陀陀螺基本本原理一一致，都都是利用用柯氏效應(yīng)應(yīng)。目前，微微機(jī)械陀陀螺基本本都是振振動(dòng)式的的，因此此本文將將著重對(duì)對(duì)這類陀陀螺進(jìn)行行介紹。。振動(dòng)式式微機(jī)械械陀螺主主要由支撐框架架、諧振質(zhì)量量塊，以及激勵(lì)和測(cè)量單元元幾個(gè)部分分構(gòu)成。。1.2微機(jī)械陀陀螺特點(diǎn)點(diǎn)MEMS陀螺儀儀是利利用coriolis定理，，將旋旋轉(zhuǎn)物物體的的角速速度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成成和角角速度度成正正比的的直流流電壓壓信號(hào)號(hào)，其其核心心部件件通過過摻雜雜技術(shù)術(shù)、光光刻技技術(shù)、、腐蝕蝕技術(shù)術(shù)、LIGA技術(shù)、、封裝裝技術(shù)術(shù)等批批量生生產(chǎn)的的，它它主要要特點(diǎn)點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)：：1.體積小小、重重量輕輕、功功耗低低。2.成本低低，加加工工工藝可可保證證大規(guī)規(guī)模生生產(chǎn)。。3.可靠性性好，，工作作壽命命超過過10萬小時(shí)時(shí)，能能承受受數(shù)千千甚至至上萬萬g的沖沖擊擊。4.測(cè)量范范圍大大，一一些MEMS陀螺儀儀測(cè)量量范圍圍可高高達(dá)數(shù)數(shù)千°/s缺點(diǎn)：：目前，，各種種微機(jī)機(jī)械陀陀螺的的角速速度測(cè)測(cè)量精精度相相對(duì)較較低，，漂移較較大。。1.2微機(jī)械械陀螺螺特點(diǎn)點(diǎn)MEMS陀螺儀儀是利利用coriolis定理，，將旋旋轉(zhuǎn)物物體的的角速速度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成成和角角速度度成正正比的的直流流電壓壓信號(hào)號(hào)，其其核心心部件件通過過摻雜雜技術(shù)術(shù)、光光刻技技術(shù)、、腐蝕蝕技術(shù)術(shù)、LIGA技術(shù)、、封裝裝技術(shù)術(shù)等批批量生生產(chǎn)的的，它它主要要特點(diǎn)點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)：：1.體積小小、重重量輕輕、功功耗低低。2.成本低低，加加工工工藝可可保證證大規(guī)規(guī)模生生產(chǎn)。。3.可靠性性好，，工作作壽命命超過過10萬小時(shí)時(shí)，能能承受受數(shù)千千甚至至上萬萬g的沖沖擊擊。4.測(cè)量范范圍大大，一一些MEMS陀螺儀儀測(cè)量量范圍圍可高高達(dá)數(shù)數(shù)千°/s缺點(diǎn)：：目前，，各種種微機(jī)機(jī)械陀陀螺的的角速速度測(cè)測(cè)量精精度相相對(duì)較較低，，漂移較較大。。1.3微機(jī)械械陀螺螺分類類微機(jī)械械陀螺螺分類類按振動(dòng)動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)按材料料按加工工方式式旋轉(zhuǎn)振振動(dòng)結(jié)結(jié)構(gòu)線性振振動(dòng)結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)盤盤結(jié)構(gòu)構(gòu)陀螺螺旋轉(zhuǎn)盤盤結(jié)構(gòu)構(gòu)陀螺螺正交線線振動(dòng)動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)非正交交線振振動(dòng)結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平平板結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁梁結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)音音叉結(jié)結(jié)構(gòu)加速度度計(jì)振振動(dòng)結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)平平板結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)梁梁結(jié)構(gòu)構(gòu)振動(dòng)音音叉結(jié)結(jié)構(gòu)單晶硅硅多晶硅硅石英其它硅材料料非硅材材料體微機(jī)機(jī)械加加工表面微微機(jī)械械加工工LIGA(光刻、、電鑄鑄和注注塑)表面工工藝制制作的的微結(jié)結(jié)構(gòu)體硅工工藝制制作的的微結(jié)結(jié)構(gòu)返回1.3微機(jī)械械陀螺螺分類類微機(jī)械械陀螺螺分類類按驅(qū)動(dòng)動(dòng)方式式按檢測(cè)測(cè)方式式壓電式式靜電式式電磁式式壓電檢檢測(cè)電容檢檢測(cè)壓阻式式檢測(cè)測(cè)光學(xué)檢檢測(cè)隧道效效應(yīng)檢檢測(cè)按工作作模式式速率陀陀螺速率積積分陀陀螺閉環(huán)模模式開環(huán)模模式整角模模式壓電驅(qū)驅(qū)動(dòng)靜電驅(qū)驅(qū)動(dòng)電電容檢檢測(cè)電磁驅(qū)驅(qū)動(dòng)壓壓阻檢檢測(cè)隧道效效應(yīng)檢檢測(cè)4、微機(jī)機(jī)械陀陀螺發(fā)發(fā)展概概述微機(jī)械械陀螺螺以體體積小小、成成本低低、抗抗過載載能力力強(qiáng)等等優(yōu)勢(shì)勢(shì)，可可應(yīng)用用于導(dǎo)導(dǎo)航、、制導(dǎo)導(dǎo)、汽汽車、、電子子玩具具等領(lǐng)領(lǐng)域，，成為為世界界各國(guó)國(guó)研究究的熱熱點(diǎn)。。微機(jī)械械陀螺螺國(guó)內(nèi)內(nèi)外研研究現(xiàn)現(xiàn)狀國(guó)外：：如美美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室室、ADI公司、、Berkeley大學(xué)，，德國(guó)國(guó)DaimlerBenz公司、、Bosch公司，，日本本Toyota公司，，以及及土耳耳其、、芬蘭蘭等國(guó)國(guó)家，，已有有商業(yè)業(yè)化產(chǎn)產(chǎn)品。。國(guó)內(nèi)：：有北北京大大學(xué)、、清華華大學(xué)學(xué)、復(fù)復(fù)旦大大學(xué)、、哈爾爾濱工工業(yè)大大學(xué)、、中科科院上上海微微系統(tǒng)統(tǒng)所、、中北北大學(xué)學(xué)等，，都對(duì)對(duì)陀螺螺進(jìn)行行了深深入的的研究究，取取得了了一定定的成成果，，但無無商業(yè)業(yè)化產(chǎn)產(chǎn)品，，處于于研究究階段段。德國(guó)國(guó)Bosch公司司芬蘭蘭赫赫爾爾辛辛基基工工業(yè)業(yè)大大學(xué)學(xué)土耳耳其其安安卡卡拉拉中中東東科科技技大大學(xué)學(xué)日本本MurataMfg.Co美國(guó)國(guó)Michigan大學(xué)學(xué)返回回單位結(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)外外微微機(jī)機(jī)械械陀陀螺螺的的特特點(diǎn)點(diǎn)與與性性能能指指標(biāo)標(biāo)北京京大大學(xué)學(xué)、、清清華華大大學(xué)學(xué)、、復(fù)復(fù)旦旦大大學(xué)學(xué)，，中中科科院院上上海海微微系系統(tǒng)統(tǒng)所所返回回單位結(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)內(nèi)微微機(jī)機(jī)械械陀陀螺螺的的特特點(diǎn)點(diǎn)與與性性能能指指標(biāo)標(biāo)從國(guó)國(guó)內(nèi)內(nèi)外外發(fā)發(fā)展展現(xiàn)現(xiàn)狀狀來來看看，，微微機(jī)機(jī)械械陀陀螺螺的的特特點(diǎn)點(diǎn)總總結(jié)結(jié)如如下下：：1、機(jī)機(jī)械械結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)：：圓圓環(huán)環(huán)、、獨(dú)獨(dú)立立梁梁、、框框架架、、雙雙質(zhì)質(zhì)量量塊塊2、驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)方方式式：：電電容容驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)的的多多3、檢檢測(cè)測(cè)方方式式：：電電容容檢檢測(cè)測(cè)的的多多4、使使用用的的材材料料：：都都是是Si基，，靈靈敏敏度度mV級(jí)5、微微機(jī)機(jī)械械陀陀螺螺應(yīng)應(yīng)用用微機(jī)機(jī)械械陀陀螺螺目目前前精精度度在在10-2°/h左右右，，還還將將進(jìn)進(jìn)一一步步提提高高到到10-3°/h。隨隨著著先先進(jìn)進(jìn)的的微微電電子子技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展，，預(yù)預(yù)計(jì)計(jì)微微機(jī)機(jī)械械陀陀螺螺的的價(jià)價(jià)格格將將會(huì)會(huì)在在一一美美元元到到幾幾百百美美元元之之間間。。其其低低廉廉的的價(jià)價(jià)格格使使其其具具有有廣廣闊闊的的應(yīng)應(yīng)用用前前景景，，有有望望在在一一些些新新的的領(lǐng)領(lǐng)域域中中得得到到應(yīng)應(yīng)用用，，如如車車載載導(dǎo)導(dǎo)航航系系統(tǒng)統(tǒng)、、天天文文望望遠(yuǎn)遠(yuǎn)鏡鏡、、工工業(yè)業(yè)機(jī)機(jī)器器人人、、計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)鼠鼠標(biāo)標(biāo)，，甚甚至至是是玩玩具具上上。。智能能手手機(jī)機(jī)中中汽車車中中空中中無無線線鼠鼠標(biāo)標(biāo)中中數(shù)碼碼相相機(jī)機(jī)中中智能能機(jī)機(jī)器器人人中中應(yīng)用用舉舉例例應(yīng)用用前前景景展展望望在MEMS中還還存存在在著著大大量量具具有有挑挑戰(zhàn)戰(zhàn)性性的的力力、、磁磁、、電電等等問問題題需需要要研研究究,對(duì)這這些些問問題題的的有有效效解解決決則則將將會(huì)會(huì)加加快快推推動(dòng)動(dòng)微微機(jī)機(jī)械械陀陀螺螺儀儀技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展1、應(yīng)應(yīng)用用比比重重增增大大2、仍仍然然面面臨臨挑挑戰(zhàn)戰(zhàn)過去去幾幾十十年年內(nèi)內(nèi)，，在在汽汽車車工工業(yè)業(yè)需需求求的的推推動(dòng)動(dòng)下下,微陀陀螺螺技技術(shù)術(shù)取取得得了了長(zhǎng)長(zhǎng)足足進(jìn)進(jìn)展展，，隨隨著著對(duì)對(duì)傳傳感感器器小小型型化化、、集集成成化化的的應(yīng)應(yīng)用用需需求求，，其其在在應(yīng)應(yīng)用用領(lǐng)領(lǐng)域域中中的的比比重重將將會(huì)會(huì)不不斷斷增增大大。。9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December8,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。15:26:3315:26:3315:2612/8/20223:26:33PM11、以以我我獨(dú)獨(dú)沈沈久久，，愧愧君君相相見見頻頻。。。。12月月-2215:26:3315:26Dec-2208-Dec-2212、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。15:26:3315:26:3315:26Thursday,December8,202213、乍見翻疑疑夢(mèng)，相悲悲各問年。。。12月-2212月-2215:26:3315:26:33December8,202214、他鄉(xiāng)生白白發(fā)，舊國(guó)國(guó)見青山。。。08十二二月20223:26:33下下午15:26:3312月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。。十二二月月223:26下下午午12月月-2215:26December8,202216、行動(dòng)出成成果，工作作出財(cái)富。。。2022/12/815:26:3315:26:3308December202217、做前，能能夠環(huán)視四四周；做時(shí)時(shí)，你只能能或者最好好沿著以腳腳為起點(diǎn)的的射線向前前。。3:26:33下下午3:26下下午15:26:3312月-229、沒有失敗，，只有暫時(shí)停停止成功！。。12月-2212月-22Thursday,December8,202210、很多事情努努力了未必有有結(jié)果，但是是不努力卻什什么改變也沒沒有。。15:26:3315:26:3315:2612/8/20223:26:33PM11、成功功就是是日復(fù)復(fù)一日日那一一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小小努力力的積積累。。。12月月-2215:26:3315:26Dec-2208-Dec-2212、世世間間成成事事，，不不求求其其絕絕對(duì)對(duì)圓圓滿滿，，留留一一份份不不足足，，可可得得無無限限完完美美。。。。15:26:3315:26:3315:26Thursday,December8,202213、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。12月-2212月-2215:26:3315:26:33December8,202214、意志堅(jiān)堅(jiān)強(qiáng)的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。08十十二月20223:26:33下午午15:26:3312月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荊荊門門九九派派通通。。。。。。十二二月月223:26下下午午12月月-2215:26December8,202216、少年十十五二十十時(shí)，步步行奪得得胡馬騎騎。。2022/12/815:26:3415:26:3408December202217、空山新新雨后，，天氣晚晚來秋。。。3:26:34下午午3:26下