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

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)或稱為微機(jī)電系統(tǒng)。MEMS的特點(diǎn)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

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(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(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。1.2微機(jī)械陀螺特點(diǎn)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)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。1.3微機(jī)械陀螺分類微機(jī)械陀螺分類按振動(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)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(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、電子玩具等領(lǐng)域，成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。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。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)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)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