微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢

微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢傳感器信號處理執(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：微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）

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

（MicroSystemTechnology）日本：Micromachine）MEMS

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方向的多個傳感器或執(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，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)將被測加速度信號轉(zhuǎn)換成諧振器的頻率變化，直接輸出數(shù)字信號，避免了微電容檢測的弊端.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)、中國電科集團(tuán)第13研究所、49研究所、中國航天科技集團(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2.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4.隧道式加速度微傳感器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.提高電梯車輛舒適性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。MEMS在汽車中的應(yīng)用提高電梯車輛舒適性

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傾斜控制系統(tǒng)，磁懸浮列車的位置監(jiān)控，提供安全與維護(hù)的精準(zhǔn)列車定位和鐵路軌道監(jiān)控系統(tǒng)。

1、

微機(jī)械陀螺儀基本概念微機(jī)械陀螺特點(diǎn)微機(jī)械陀螺分類基本概念及組成1.1基本概念及組成陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來測量物體旋轉(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，而振動式和微加速度計(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式的，因此本文將著重對這類陀螺進(jìn)行介紹。振動式微機(jī)械陀螺主要由支撐框架、諧振質(zhì)量塊，以及激勵和測量單元幾個部分構(gòu)成。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，其核心部件通過摻雜技術(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10萬小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬g的沖擊。4.測量范圍大，一些MEMS陀螺儀測量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s缺點(diǎn)：

目前，各種微機(jī)械陀螺的角速度測量精度相對較低，漂移較大。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，其核心部件通過摻雜技術(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10萬小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬g的沖擊。4.測量范圍大，一些MEMS陀螺儀測量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s缺點(diǎn)：

目前，各種微機(jī)械陀螺的角速度測量精度相對較低，漂移較大。1.3微機(jī)械陀螺分類微機(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(jì)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)模式整角模式壓電驅(qū)動靜電驅(qū)動電容檢測電磁驅(qū)動壓阻檢測隧道效應(yīng)檢測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、抗過載能力強(qiáng)等優(yōu)勢，可應(yīng)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、汽車、電子玩具等領(lǐng)域，成為世界各國研究的熱點(diǎn)。微機(jī)械陀螺國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外：如美國Draper實(shí)驗(yàn)室、ADI公司、Berkeley大學(xué)，德國DaimlerBenz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬蘭等國家，已有商業(yè)化產(chǎn)品。國內(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，都對陀螺進(jìn)行了深入的研究，取得了一定的成果，但無商業(yè)化產(chǎn)品，處于研究階段。德國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Michigan大學(xué)返回單位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)檢測機(jī)理靈敏度/分辨率噪聲/漂移美國Michigan大學(xué)振動環(huán)式電容檢測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)動電容檢測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3mm×3mm電容檢測真空24mV/o/s大氣100μV/o/s/芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)框架式角振動電容檢測信噪比51.6dB德國Bosch公司雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動電容檢測18mV//s量程為100o/s國外微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)與性能指標(biāo)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)檢測機(jī)理靈敏度噪聲/漂移北大諧振式電容檢測22mv/°/s清華角振動電容檢測1.9mV/°/s/復(fù)旦雙質(zhì)量塊電容驅(qū)動壓阻檢測電橋輸出0.22μV/°/s/中科院雙質(zhì)量塊電磁驅(qū)動電容檢測9.8mV/°/s中北大學(xué)諧振式電容檢測0.7mV/°/s國內(nèi)微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)與性能指標(biāo)從國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀來看，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)動方式：電容驅(qū)動的多3、檢測方式：電容檢測的多4、使用的材料：都是Si基，靈敏度