微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢

微慣性技術(shù)開展現(xiàn)狀與未來趨勢

劉志軍2120210999檢測技術(shù)與自動化安裝搭訕感器信號處置執(zhí)行器MEMS是建立在微米/納米技術(shù)根底上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，對微米/納米資料進(jìn)展設(shè)計、加工、制造和控制。MEMS是多種學(xué)科的交叉交融，運(yùn)用領(lǐng)域極為廣泛，目前已勝利地運(yùn)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〕歐洲：微系統(tǒng)技術(shù)〔MST〕〔MicroSystemTechnology〕日本：微機(jī)械〔Micromachine〕MEMS簡介

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，而是指可批量制造的集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及接口信號處置和控制電路、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、分量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、回應(yīng)時間短。2以硅為主要資料，機(jī)械電器性能優(yōu)良。3.大量消費(fèi):用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制呵斥百上千個微型機(jī)電安裝或完好的MEMS。批量消費(fèi)可大大降低消費(fèi)本錢。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，或構(gòu)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同，構(gòu)成復(fù)雜的微系統(tǒng)。5.多學(xué)科交叉:MEMS涉及電子、機(jī)械、資料、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)開展的許多尖端成果。微慣性器件類別微機(jī)電加速度計微陀螺儀微加速度計、微陀螺儀外觀微機(jī)電加速度計開展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，并于20世紀(jì)8O年代初初次投放市場，隨后許多公司也紛紛仿效研制。在8O年代后半期，人們開場研討各種力平衡式硅微加速度計，并獲得了宏大進(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)行器研討中心(TheBerkeleySensorActuaterCenter.BSAC)，CSDL及Honeywell公司等相繼開展了硅微諧振式加速度計技術(shù)的研討，這種加速度計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，防止了微電容檢測的弊端.隧道電流式加速度計(tunnelingbasedmicromachinedsiliconaecelerometer，TMSA)是將微機(jī)械加工的微構(gòu)造與基于電子隧道效應(yīng)的新的高靈敏丈量技術(shù)結(jié)合在一同構(gòu)成的。，隧道電流硅微加速度計具有靈敏度高、信噪比大、動態(tài)范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種很有開展出路的新型傳感器。

國內(nèi)微機(jī)電加速度計技術(shù)的研討始于20世紀(jì)90年代初，清華大學(xué)、中國電科集團(tuán)第13研討所、49研討所、中國航天科技集團(tuán)時代電子公司、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研討所、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討任務(wù)，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構(gòu)造圖硅梁構(gòu)造圖硅梁構(gòu)造圖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)電加速度計運(yùn)用1.傾斜丈量和調(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.平安防撞系統(tǒng)5.提高電梯車輛溫馨性4.平安防撞系統(tǒng)傳感器分辨率靈敏度要求較高，保證適時發(fā)出氣囊充氣的指令。MEMS在汽車中的運(yùn)用提高電梯車輛溫馨性提供平安與溫馨的轉(zhuǎn)向架監(jiān)控和診斷系統(tǒng)，改良乘客溫馨度的高速列車傾斜控制系統(tǒng)，磁懸浮列車的位置監(jiān)控，提供平安與維護(hù)的精準(zhǔn)列車定位和鐵路軌道監(jiān)控系統(tǒng)。1、微機(jī)械陀螺儀根本概念微機(jī)械陀螺特點(diǎn)微機(jī)械陀螺分類根本概念及組成1.1根本概念及組成陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來丈量物體旋轉(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式的微陀螺根本原理一致，都是利用柯氏效應(yīng)。目前，微機(jī)械陀螺根本都是振動式的，因此本文將著重對這類陀螺進(jìn)展引見。振動式微機(jī)械陀螺主要由支撐框架、諧振質(zhì)量塊，以及鼓勵和丈量單元幾個部分構(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，其中心部件經(jīng)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)等批量消費(fèi)的，它主要特點(diǎn)是

優(yōu)點(diǎn)：1.體積小、分量輕、功耗低。2.本錢低，加工工藝可保證大規(guī)模消費(fèi)。3.可靠性好，任務(wù)壽命超越10萬小時，能接受數(shù)千甚至上萬g的沖擊。4.丈量范圍大，一些MEMS陀螺儀丈量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s缺陷：目前，各種微機(jī)械陀螺的角速度丈量精度相對較低，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，其中心部件經(jīng)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)等批量消費(fèi)的，它主要特點(diǎn)是

優(yōu)點(diǎn)：1.體積小、分量輕、功耗低。2.本錢低，加工工藝可保證大規(guī)模消費(fèi)。3.可靠性好，任務(wù)壽命超越10萬小時，能接受數(shù)千甚至上萬g的沖擊。4.丈量范圍大，一些MEMS陀螺儀丈量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s缺陷：目前，各種微機(jī)械陀螺的角速度丈量精度相對較低，漂移較大。1.3微機(jī)械陀螺分類微機(jī)械陀螺分類按振動構(gòu)造按資料按加工方式旋轉(zhuǎn)振動構(gòu)造線性振動構(gòu)造振動盤構(gòu)造陀螺旋轉(zhuǎn)盤構(gòu)造陀螺正交線振動構(gòu)造非正交線振動構(gòu)造振動平板構(gòu)造振動梁構(gòu)造振動音叉構(gòu)造加速度計振動構(gòu)造振動平板構(gòu)造振動梁構(gòu)造振動音叉構(gòu)造單晶硅多晶硅石英其它硅資料非硅資料體微機(jī)械加工外表微機(jī)械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑)外表工藝制造的微構(gòu)造體硅工藝制造的微構(gòu)造前往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)檢測按任務(wù)方式速率陀螺速率積分陀螺閉環(huán)方式開環(huán)方式整角方式壓電驅(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)械陀螺開展概述微機(jī)械陀螺以體積小、本錢低、抗過載才干強(qiáng)等優(yōu)勢，可運(yùn)用于導(dǎo)航、制導(dǎo)、汽車、電子玩具等領(lǐng)域，成為世界各國研討的熱點(diǎn)。微機(jī)械陀螺國內(nèi)外研討現(xiàn)狀國外：如美國Draper實驗室、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)展了深化的研討，獲得了一定的成果，但無商業(yè)化產(chǎn)品，處于研討階段。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)前往單位結(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)與性能目的北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)，中科院上海微系統(tǒng)所前往單位結(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)與性能目的從國內(nèi)外開展現(xiàn)狀來看，微機(jī)械陀螺的特點(diǎn)總結(jié)如下：1、機(jī)械構(gòu)造：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、運(yùn)用的資料：都是Si基，靈敏度mV級5、微機(jī)械陀螺運(yùn)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)的開展，估計微機(jī)械陀螺的價錢將會在一美圓到幾百美圓之間。其低廉的價錢使其具有寬廣的運(yùn)用前景，有望在一些新的領(lǐng)域中得到運(yùn)用，如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)機(jī)器人、計算機(jī)鼠標(biāo)，甚至是