微機(jī)械陀螺儀報(bào)告

1、微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)讀書報(bào)告 -淺談微機(jī)械陀螺儀 0 引言陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀由于體積大、成本高、不適合批量生產(chǎn)等因素制約了其在很多方面的應(yīng)用。在科技發(fā)展的推動(dòng)以及市場(chǎng)需求的牽引下，陀螺儀正朝著高精度、高可靠性、微型化、多軸測(cè)量和多功能測(cè)量的方向發(fā)展。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，MEMS微細(xì)加工工藝在慣性器件制作中的應(yīng)用大大減小了陀螺儀的尺寸，降低了生產(chǎn)成本，使其能夠在汽車、工業(yè)自動(dòng)化、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。陀螺儀的發(fā)展大致經(jīng)歷了下列幾個(gè)過(guò)程：從20世紀(jì)50年代的液浮陀螺儀到70年代的動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀(又

2、稱撓性陀螺儀，DTG)，從20世紀(jì)80年代的環(huán)形激光陀螺儀(RLG)、光纖陀螺儀(FOG)到90年代的振動(dòng)陀螺儀以及目前研究報(bào)導(dǎo)較多的微機(jī)械電子系統(tǒng)陀螺儀(簡(jiǎn)稱微機(jī)械陀螺儀，MEMSG)1。微機(jī)械陀螺儀在軍事領(lǐng)域方面的應(yīng)用尤為重要， 如Honeywell最近研究出的GG5300三軸微機(jī)械陀螺封裝件高度3.3厘米，直徑5.0厘米，專為導(dǎo)引頭瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定、飛行控制、炮塔穩(wěn)定而設(shè)計(jì)，已經(jīng)成功應(yīng)用于全球鷹無(wú)人機(jī)上。微機(jī)械陀螺儀屬于微電子機(jī)械范疇，按材料分可分為硅微陀螺、石英微陀螺、壓電陶瓷微陀螺等。石英材料結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)Q值很高，陀螺儀特性最好，且有實(shí)用價(jià)值，是最早商品化的；硅材料結(jié)構(gòu)完整，彈性好，比較

3、容易得到高Q值的硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)，隨著深反應(yīng)刻蝕技術(shù)（DRIE）的出現(xiàn)，體硅微機(jī)械加工技術(shù)的加工精度顯著提高，因此兩種材料的微機(jī)械陀螺在市場(chǎng)上都有著廣泛的應(yīng)用。1 微機(jī)械陀螺儀硅微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)常采用振梁結(jié)構(gòu)、雙框架結(jié)構(gòu)、平面對(duì)稱結(jié)構(gòu)、橫向音叉結(jié)構(gòu)、梳狀音叉結(jié)構(gòu)、梁島結(jié)構(gòu)等。目前世界上研究的石英微機(jī)械陀螺按照結(jié)構(gòu)大致可以分為：?jiǎn)味艘舨媸⑽⑼勇?、雙端音叉石英微陀螺、雙端固定石英音叉微陀螺、雙“”型石英微陀螺、雙錘頭型石英微陀螺和三角型石英微陀螺等。用來(lái)產(chǎn)生參考振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式有靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)等，而檢測(cè)由科氏力帶來(lái)的附加振動(dòng)的檢測(cè)方式有電容檢測(cè)、壓電檢測(cè)、壓阻檢測(cè)等。光學(xué)檢測(cè)也可用，

4、但由于成本太高，因而沒(méi)有太大的適用價(jià)值。微機(jī)械陀螺儀根據(jù)驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)方式分為四種： 靜電驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)； 電磁驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)； 電磁驅(qū)動(dòng)，壓阻檢測(cè)； 壓電驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)。其中靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)的陀螺儀設(shè)計(jì)最為常見(jiàn)，并已有部分產(chǎn)品已研制成功。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體具有保持其角動(dòng)量的特性來(lái)測(cè)量角速度，通過(guò)被激勵(lì)的振動(dòng)體對(duì)哥氏加速度的敏感來(lái)測(cè)量角速度。1988 年，美國(guó)德雷伯實(shí)驗(yàn)室研制出第一臺(tái)框架式角振動(dòng)微機(jī)電陀螺儀，1993 年又研制出性能更好的音叉式線振動(dòng)陀螺儀。影響其應(yīng)用的主要問(wèn)題是精度限制，提高精度的手段主要是改進(jìn)微細(xì)加工工藝和誤差分離/補(bǔ)償技術(shù)。目前實(shí)現(xiàn)的工程化的MESM 陀螺儀精

5、度在國(guó)外已達(dá)到1（°）/h 以內(nèi)2。分析和評(píng)價(jià)陀螺的性能，需要制定一系列的衡量準(zhǔn)則，為其應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)?？傮w而言，表征陀螺性能的主要指標(biāo)有: 標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性、漂移穩(wěn)定性、隨機(jī)游走、量程和成本等等。依據(jù)上述指標(biāo)將陀螺劃分為4 類: 戰(zhàn)略級(jí)、慣導(dǎo)級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)、商業(yè)級(jí)3，如表1。表1 陀螺性能指標(biāo)的劃分就目前已研制成功的微機(jī)械陀螺儀來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)有以下兩種： 音叉式結(jié)構(gòu)，它利用線振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)； 雙框架結(jié)構(gòu)，它利用角振動(dòng)來(lái)產(chǎn)生陀螺效應(yīng)。雙框架角振動(dòng)微機(jī)械陀螺儀研制較早，雖制作工藝簡(jiǎn)單，但音叉式線振動(dòng)微機(jī)械陀螺儀的靈敏度優(yōu)于雙框架角振動(dòng)微機(jī)械陀螺儀。圖1為調(diào)諧音叉式微機(jī)械陀螺( TF

6、G) 的工作原理圖。如圖所示，在繞與質(zhì)量塊速度矢量垂直的輸入輸出軸上施加角速率將引起哥氏力，它推動(dòng)質(zhì)量塊進(jìn)入和跳出振蕩平面。由于相關(guān)質(zhì)量塊的瞬時(shí)速度矢量大小相等、方向相反，將引起反平行移動(dòng)以響應(yīng)哥氏力。最終的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)質(zhì)量塊的上下電容板測(cè)量，給出的信號(hào)與施加的輸入速率成比例。圖1 TFG陀螺的工作原理圖2 國(guó)內(nèi)外微機(jī)械陀螺儀的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代，GE利用壓電石英晶體換能器制造出一個(gè)金屬振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)的陀螺，隨后美國(guó)沃爾森公司推出利用石英晶體作為振動(dòng)體，金屬電極激勵(lì)和檢測(cè)的石英陀螺，但是當(dāng)時(shí)工藝條件還較為落后，石英陀螺的尺寸還是比較大。后來(lái)美國(guó)Draper（德雷珀）實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)LITTON（利

7、頓）公司、美國(guó)BEI（貝）公司、美國(guó)HONEYWELL（霍尼韋爾）公司等推出雙端石英音叉陀螺，掀起了微機(jī)械陀螺儀的研究熱潮，將微機(jī)械陀螺由實(shí)驗(yàn)室的研究推向大規(guī)模的實(shí)用化和商業(yè)化。圖2為微機(jī)械陀螺實(shí)物圖。BEI公司QRS11 BAE公司SiIMU04 BAE公司SiVSG Honeywell公司GG5200圖 2 微機(jī)械陀螺實(shí)物圖目前，國(guó)外主要有美國(guó)、日本、瑞典、法國(guó)等國(guó)家在開展微機(jī)械陀螺的研究，其中，美國(guó)、日本的研制水平最高，微機(jī)械陀螺的工藝比較成熟，結(jié)構(gòu)也比較多樣，尺寸較小，目前已經(jīng)廣泛在汽車安全氣囊、手機(jī)等電子設(shè)備、飛機(jī)輔助導(dǎo)航、機(jī)器人、醫(yī)學(xué)手術(shù)等民用領(lǐng)域和超音速戰(zhàn)機(jī)、巡航導(dǎo)彈、無(wú)人偵察機(jī)

8、等軍事領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)用化、產(chǎn)品化階段。我國(guó)關(guān)于微機(jī)械陀螺的研究始于20世紀(jì)80年代后期，目前從事微機(jī)械陀螺研究的主要有清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、航天科技集團(tuán)704所等，并且國(guó)防科工委從1995年末開始便投入6000萬(wàn)以上的經(jīng)費(fèi)用于慣性器件的基礎(chǔ)性研究，并且微機(jī)械陀螺技術(shù)已經(jīng)納入863計(jì)劃之中。盡管國(guó)內(nèi)對(duì)微機(jī)械陀螺技術(shù)的研究有一定進(jìn)步，但不可否認(rèn)的是在微機(jī)械陀螺的工藝、尺寸、精度和穩(wěn)定性方面，同國(guó)外已經(jīng)商業(yè)化的陀螺產(chǎn)品相比還有一定的差距。3微機(jī)械陀螺的應(yīng)用31慣性平臺(tái) 陀螺技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了慣性平臺(tái)的發(fā)展，慣性穩(wěn)定平臺(tái)由于能夠隔離載體( 導(dǎo)彈、飛機(jī)、戰(zhàn)車及艦船)的運(yùn)動(dòng)干擾，不斷調(diào)整平臺(tái)的姿態(tài)和位置的變化

9、，精確保持動(dòng)態(tài)姿態(tài)基準(zhǔn)。利用陀螺儀使平臺(tái)保持穩(wěn)定，不管導(dǎo)彈飛行時(shí)姿態(tài)發(fā)生多大變化，平臺(tái)相對(duì)于慣性參考坐標(biāo)系的方向始終保持不變，因而可以簡(jiǎn)化導(dǎo)航計(jì)算，洲際彈道導(dǎo)彈、潛地彈道導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程巡航導(dǎo)彈和大型運(yùn)載火箭基本上都采用平臺(tái)式慣性制導(dǎo)，陀螺用于測(cè)量敏感平臺(tái)相對(duì)于慣性空間的角速率，穩(wěn)定平臺(tái)根據(jù)陀螺測(cè)得的慣性角速率，輸出一個(gè)反向作用力以抵消載體運(yùn)動(dòng)的影響，從而保持平臺(tái)的姿態(tài)穩(wěn)定，在平臺(tái)穩(wěn)定的情況下，載體才能高效、精確、穩(wěn)定地完成相應(yīng)的工作和任務(wù)，因此，陀螺的性能對(duì)于慣性平臺(tái)有重要意義。由于技術(shù)、精度以及出口限制，微機(jī)械陀螺在國(guó)內(nèi)應(yīng)用相對(duì)較少，但在國(guó)外高精度微機(jī)械陀螺已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了軍事領(lǐng)域。 1）美國(guó)B

10、EI公司SystemDonner慣性公司研制出的GyroChipTM系列微機(jī)械陀螺，如Horizon、QRS11、QRS116、SDD3000，是一類高性能的固態(tài)石英音叉型振動(dòng)陀螺。QRS116已經(jīng)應(yīng)用到捕食者無(wú)人機(jī)上，而SDD3000則已應(yīng)用作全球鷹無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定平臺(tái)中，其中SDD3000的性能參數(shù)如表2所示。表2 BEI公司SDD3000的系統(tǒng)特性 2）美國(guó)霍尼韋爾公司研制的新型兩軸微機(jī)械陀螺GG5200和三軸微機(jī)械陀螺GG5300，專為導(dǎo)引頭瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定、天線指向穩(wěn)定、炮塔穩(wěn)定和飛行控制而設(shè)計(jì)。目前，GG5200 已替代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺應(yīng)用到Stryker 裝甲車的炮塔穩(wěn)定平臺(tái)中，而三軸微機(jī)械

11、陀螺GG5300采取了最先進(jìn)的硅微電系統(tǒng)加工技術(shù)，使其具備比GG5200更高的穩(wěn)定性和精度，被應(yīng)用于美國(guó)M1主戰(zhàn)坦克上4。圖3列出了微機(jī)械陀螺在武器裝備上作為慣性平臺(tái)的具體應(yīng)用。a) GG5200和Stryker裝甲車 b）GG5300和M1主戰(zhàn)坦克圖3 霍尼韋爾公司微機(jī)械陀螺儀慣性平臺(tái)32姿態(tài)平衡飛機(jī)上有陀螺儀，其安裝在飛機(jī)駕駛艙的儀表盤上。陀螺儀在飛行時(shí)起的主要作用并不是穩(wěn)定飛機(jī)，而是指示飛機(jī)飛行姿態(tài)，也叫姿態(tài)儀，告訴你飛機(jī)仰角，俯角，傾角（飛機(jī)空中轉(zhuǎn)向時(shí)兩翼與水平面的夾角）。由于陀螺儀在工作狀態(tài)下，保持絕對(duì)姿態(tài)，所以可以指示飛機(jī)飛行時(shí)姿態(tài)，以保證飛行員掌握以及控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)，保證飛機(jī)

12、安全，正常飛行。美國(guó)BEI公司QRS116成功用于F-22上，用作姿態(tài)平衡保持，而SDD3000則已應(yīng)用作全球鷹無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定平臺(tái)上，確保無(wú)人機(jī)在復(fù)雜的環(huán)境中保持平衡5。圖4展示了飛行中保持平衡的戰(zhàn)機(jī)。a）F-22戰(zhàn)機(jī) b）全球鷹戰(zhàn)機(jī)圖4 微機(jī)械在姿態(tài)儀中的運(yùn)用在航空航天領(lǐng)域、航海、水下作業(yè)以及各種導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中，都需要姿態(tài)平衡，同時(shí)，在航空航天、導(dǎo)彈武器領(lǐng)域，對(duì)陀螺儀的精度、體積、重量都有嚴(yán)格的要求，人們?cè)谠O(shè)計(jì)相關(guān)陀螺儀時(shí)，希望以更小的質(zhì)量、更高的精度、更小的體積、更低的成本，而微機(jī)械陀螺儀使其成為現(xiàn)實(shí)。33電子設(shè)備受制于成本和尺寸，一直以來(lái)微機(jī)械陀螺儀只在軍用設(shè)備、飛機(jī)導(dǎo)航以及高檔汽車等非

13、價(jià)格敏感設(shè)備上使用，近年來(lái)，隨著制造工藝的成熟，核心ASIC設(shè)計(jì)的改良以及封裝技術(shù)的突破，價(jià)格和尺寸不斷下降，MEMS陀螺儀開始進(jìn)駐消費(fèi)電子市場(chǎng)，逐漸在玩具，數(shù)碼相機(jī)(防震防抖)上使用。而2010年蘋果在iphone4上率先采用了MEMS陀螺儀，標(biāo)志著MEMS陀螺儀正式進(jìn)入了手機(jī)這一全球最大消費(fèi)應(yīng)用市場(chǎng)。如果將MEMS陀螺儀與加速度計(jì)整合在一起，則能更完整的傳感出物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。目前手機(jī)用微機(jī)械陀螺儀的價(jià)格還是偏高，只能在少數(shù)高端手機(jī)上應(yīng)用。而微機(jī)械陀螺儀配合其它MEMS傳感器以及其它模擬器件，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能可謂是千變?nèi)f化，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，給使用者以逼真的體驗(yàn)，而陀螺儀應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)

14、中，則可以實(shí)現(xiàn)防抖功能，使拍攝的照片、錄像更加清晰、真實(shí)。如圖5所示，蘋果手機(jī)、攝像機(jī)中運(yùn)用陀螺儀。a）蘋果4S手機(jī) b）攝像機(jī)圖5 微機(jī)械陀螺儀在電子設(shè)備上中的運(yùn)用4微機(jī)械陀螺的優(yōu)勢(shì)微機(jī)械陀螺技術(shù)發(fā)展迅速，特點(diǎn)突出，應(yīng)用前景良好，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面6:1) 體積越來(lái)越小，精度越來(lái)越高，設(shè)計(jì)方案呈多樣化。陀螺先后經(jīng)歷振動(dòng)框架式、諧振音叉式、振動(dòng)輪式、振環(huán)陀螺、四葉式等形式，陀螺漂移10 (°)/h。硅微陀螺ADXRS系列產(chǎn)品尺寸為7mm×7mm×3mm，質(zhì)量小于1g，技術(shù)方案的不斷創(chuàng)新，從工作機(jī)理上減少了誤差源，提高了精度。2) 工藝和封裝技術(shù)日趨成熟。微機(jī)械

15、陀螺加工工藝主要包括: 面加工技術(shù)，體加工技術(shù)，基于絕緣基體硅( Silicon on Insulator,SOI)工藝等等。面加工技術(shù)主要是基片上淀積或生長(zhǎng)多晶硅層來(lái)制造微機(jī)械結(jié)構(gòu)。體加工技術(shù)的基礎(chǔ)是單晶硅刻蝕技術(shù)，中間層的硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多次掩膜、雙面光刻以及各向異性刻蝕而成，然后與上下層精密鍵合成一個(gè)整體。SOI 工藝結(jié)合前兩者的優(yōu)勢(shì)，它可以得到高質(zhì)量的單晶硅獨(dú)立結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留面加工，具有尺寸小、與IC 工藝兼容、價(jià)格低的批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)。目前，上述3類工藝工序操作和控制都得到了發(fā)展和提高，完善了微敏感結(jié)構(gòu)工藝工序的膜厚、線寬以及內(nèi)應(yīng)力的檢測(cè)，微結(jié)構(gòu)高深寬比的三維尺寸加工精度能夠得到較好的保

16、證，全硅敏感結(jié)構(gòu)工藝正在開發(fā)和完善。3) 工程應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，成功案例越來(lái)越多。MEMS 技術(shù)正在不斷融合，向提高精度、數(shù)字化、高可靠性方向發(fā)展，成功的應(yīng)用案例非常多。例如，ADI公司研制的表面工藝的微機(jī)械陀螺儀大量應(yīng)用于民用和工業(yè)傳感領(lǐng)域，產(chǎn)品銷量已經(jīng)達(dá)到幾億只，每只售價(jià)僅幾十美元，可廣泛用于姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)以及短距離的戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)，還可以和全球定位系統(tǒng)( GPS) 組合構(gòu)成導(dǎo)航系統(tǒng)，如Litton公司研制的體硅工藝的微機(jī)械陀螺儀已經(jīng)裝備15000套。4) 為冗余控制、精確控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)飛行器上的控制系統(tǒng)姿態(tài)敏感和調(diào)控設(shè)備因?yàn)轶w積大，能耗大，多設(shè)備冗余設(shè)計(jì)只能通過(guò)增大飛行器體積，

17、犧牲飛行器速度或有效航程為代價(jià)；慣導(dǎo)、陀螺儀、加速度計(jì)等姿態(tài)測(cè)量器件也不可能在飛行器上大范圍內(nèi)布放。以微機(jī)械陀螺儀為基礎(chǔ)的器件則不同，因?yàn)轶w積、質(zhì)量、能耗、精度各方面的綜合性能優(yōu)越，為其在飛行載體上的大量使用奠定了基礎(chǔ)，飛行器上控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二級(jí)冗余、三級(jí)冗余乃至N 級(jí)獨(dú)立的冗余控制方案的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)；還可以通過(guò)多點(diǎn)布放，將飛行器姿態(tài)的測(cè)量由傳統(tǒng)的局限式的點(diǎn)式測(cè)量，可以拓展到網(wǎng)絡(luò)式的面基測(cè)量或三維體式測(cè)量，為探索和應(yīng)用新的測(cè)量方法，提高測(cè)量精度提供了有力的支撐。5 結(jié)語(yǔ) 世紀(jì)年代以來(lái)，微機(jī)械陀螺已經(jīng)在軍事領(lǐng)域得以運(yùn)用，同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)、微、納米加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)體積小、價(jià)格相對(duì)低廉的微機(jī)械陀螺將取代傳統(tǒng)的并且精度高、穩(wěn)定性好的光纖陀螺，在穩(wěn)定平臺(tái)中獲得較好的應(yīng)用前景7；同時(shí)在民用領(lǐng)域，微機(jī)械陀螺將會(huì)在汽車安全氣囊系統(tǒng)、汽車偏航和翻滾姿態(tài)的感測(cè)、汽車GPS輔助導(dǎo)航和航空制導(dǎo)彈藥等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用；低成本、體積小、反應(yīng)快，動(dòng)態(tài)范圍大、能適應(yīng)惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)將使陀螺儀在消費(fèi)電子市場(chǎng)的應(yīng)用更加廣泛；未來(lái)在生物、醫(yī)療、工業(yè)器械等方面微機(jī)械陀螺也會(huì)得到推廣和運(yùn)用，隨著尺寸和精度的進(jìn)一步改善，今后微機(jī)械陀螺將在人們的生活中發(fā)揮更為重要的作用。參考文獻(xiàn)1