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1、微惯性技术发展现状与未来趋势微惯性技术发展现状与未来趋势 刘志军刘志军2120120999检测技术与自动化装置检测技术与自动化装置搭讪电话：搭讪电话：15010311282传感传感器器信号处理执行器 MEMSMEMS是建立在微米是建立在微米是建立在微米是建立在微米/纳米技术基础上的纳米技术基础上的纳米技术基础上的纳米技术基础上的2121世纪前沿技术，世纪前沿技术，世纪前沿技术，世纪前沿技术，对微米对微米对微米对微米/纳米材料进行设计、加工、制造和控制。纳米材料进行设计、加工、制造和控制。纳米材料进行设计、加工、制造和控制。纳米材料进行设计、加工、制造和控制。MEMSMEMS是多种学是多种学是多
2、种学是多种学科的交叉融合，应用领域极为广泛，目前已成功地应用于汽车、科的交叉融合，应用领域极为广泛，目前已成功地应用于汽车、科的交叉融合，应用领域极为广泛，目前已成功地应用于汽车、科的交叉融合，应用领域极为广泛，目前已成功地应用于汽车、电子和军事等行业。电子和军事等行业。电子和军事等行业。电子和军事等行业。美国：美国：微电子机械系统（微电子机械系统（MEMSMEMS）（MicroElectroMechanicalSystem）欧洲：欧洲：微系统技术（微系统技术（MSTMST）（MicroSystemTechnology）日本：日本：微机械（微机械（Micromachine Micromachi
3、ne）MEMS简介微机电系统的尺寸微机电系统的尺寸 在微小尺寸范围内，机械依其特征尺寸可以划分为1-10毫米的小型(Mini-)机械，1微米一1毫米的微型机械以及1纳米一1微米的机械。所谓微型机械从广义上包含了微小型和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指可批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及接口信号处理和控制电路、通讯和电源等于一体的微电子机械系统(Micro-Electronic Mechanical System-ME MS)或称为微机电系统。MEMS的特的特点点l1.微型化微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、回應時間短。l2以以硅为硅为主要材料，主要
4、材料，机械电器机械电器性能性能优良。优良。l3.大量生产大量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。l4.集成化集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器数组、微执行器数组，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。l5.多学科交叉多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学 和生物等多种学科，并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。微惯性器件类别微惯性器件类别l微机电加速度计微机电加速度计l微陀螺仪微陀螺仪微加速度计、微陀螺仪外观微加速
5、度计、微陀螺仪外观微机电加速度计发展微机电加速度计发展l1977年，美国斯坦福大学首先采用各向异性蚀刻与微光刻技术制成一种开环微型加速度计，并于20世纪8O年代初首次投放市场，随后许多公司也纷纷仿效研制。在8O年代后半期，人们开始研究各种力平衡式硅微加速度计，并取得了巨大进展。2O世纪9O年代后期，美国加州大学柏克利分校传感器与执行器研究中心(The Berkeley Sensor Actuater Center.BSAC)，CSDL及Honeywell公司等相继开展了硅微谐振式加速度计技术的研究，这种加速度计将被测加速度信号转换成谐振器的频率变化，直接输出数字信号，避免了微电容检测的弊端.隧
6、道电流式加速度计(tunneling based micromachined silicon aecelerometer，TMSA)是将微机械加工的微结构与基于电子隧道效应的新的高灵敏测量技术结合在一起形成的。，隧道电流硅微加速度计具有灵敏度高、信噪比大、动态范围广等一系列优点，是一种很有发展前途的新型传感器。国内微机电加速度计技术的研究始于20世纪90年代初，清华大学、中国电科集团第13研究所、49研究所、中国航天科技集团时代电子公司、上海微系统与信息技术研究所、北京大学、东南大学、中北大学、哈尔滨工业大学一重庆大学、上海交通大学、北京理工大学、南京理工大学等多个单位先后从事这方面的研究工作
7、，研制出的产品已能满足中低精度的需求。悬臂梁式加速度微传感器结构图悬臂梁式加速度微传感器结构图硅梁结构图硅梁结构图硅梁结构图2.电容式加速度微传感器电容式加速度微传感器三轴式电容式加速度微传感器三轴式电容式加速度微传感器3.谐振式加速度传感器谐振式加速度传感器4.隧道式加速度微传感器隧道式加速度微传感器5.伺服式加速度微传感器伺服式加速度微传感器微机电加速度计应用微机电加速度计应用l1.倾斜测量和调平系统l2.惯性导航和制导系统l3.医疗器械l4.安全防撞系统l5.提高电梯车辆舒适性4.安全防撞系统安全防撞系统 传感器分辨率灵敏度要求较高，保证适时发出气囊充气的指令。MEMS在汽车中的应用在汽
8、车中的应用提高电梯车辆舒适性提高电梯车辆舒适性 提供安全与舒适的转向架监控 和诊断系统，改进乘客舒适度的高速列车倾斜控制系统，磁悬浮列车的位置监控，提供安全与维护的精准列车定位和铁路轨道监控系统。1、微机械陀螺仪基本概念微机械陀螺仪基本概念微机械陀螺特点微机械陀螺分类基本概念及组成1.1 基本概念及组成基本概念及组成 陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体旋转快慢的传感器。微机械陀螺仪(MEMS gyroscope)主要有转子式、振动式微机械陀螺仪和微机械加速度计陀螺仪三种。由于工艺限制，在硅衬底上加工出可高速旋转的转子并不容易，因此转子式的微机械陀螺并不常见，而振动式和微加速度计式的微陀螺基
9、本原理一致，都是利用柯氏效应。目前，微机械陀螺基本都是振动式的，因此本文将着重对这类陀螺进行介绍。振动式微机械陀螺主要由支撑框架、谐振质量块，以及激励和测量单元几个部分构成。1.2 微机械陀螺特点微机械陀螺特点 MEMSMEMS陀陀螺螺仪仪是是利利用用 coriolis coriolis 定定理理，将将旋旋转转物物体体的的角角速速度度转转换换成成和和角角速速度度成成正正比比的的直直流流电电压压信信号号，其其核核心心部部件件通通过过掺掺杂杂技技术术、光光刻刻技技术、腐蚀技术、术、腐蚀技术、LIGALIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是 优点：优点
10、：1.1.体积小、重量轻、功耗低。体积小、重量轻、功耗低。2.2.成本低，加工工艺可保证大规模生产。成本低，加工工艺可保证大规模生产。3.3.可可靠靠性性好好，工工作作寿寿命命超超过过1010万万小小时时，能能承承受受数数千千甚甚至至上上万万g g的的 冲击。冲击。4.4.测量范围大，一些测量范围大，一些MEMSMEMS陀螺仪测量范围可高达数千陀螺仪测量范围可高达数千/s/s缺点：缺点：目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大。漂移较大。1.2 微机械陀螺特点微机械陀螺特点 MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角
11、速度转换成和角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是 优点：优点：1.体积小、重量轻、功耗低。2.成本低，加工工艺可保证大规模生产。3.可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的 冲击。4.测量范围大，一些MEMS 陀螺仪测量范围可高达数千/s缺点：缺点：目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大。1.3 微机械陀螺分类微机械陀螺分类微机械陀螺分类按振动结构按材料按加工方式旋转振动结构线性振动结构振动盘结构陀螺旋转盘结构陀螺正交线振动结构非正交线振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构加
12、速度计振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构单晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料体微机械加工表面微机械加工LIGA(光刻、电铸和注塑)表面工艺制作的微结构表面工艺制作的微结构体硅工艺制作的微结构体硅工艺制作的微结构返回返回1.3 微机械陀螺分类微机械陀螺分类微机械陀螺分类按驱动方式按检测方式压电式静电式电磁式压电检测电容检测压阻式检测光学检测隧道效应检测按工作模式速率陀螺速率积分陀螺闭环模式开环模式整角模式压电驱动压电驱动静电驱动电容检测静电驱动电容检测电磁驱动压阻检测电磁驱动压阻检测隧道效应检测隧道效应检测4、微机械陀螺发展概述、微机械陀螺发展概述 微机械陀螺以体积小、成本低、抗过载能力强
13、等优势，可应用于导航、制导、汽车、电子玩具等领域，成为世界各国研究的热点。微机械陀螺国内外研究现状微机械陀螺国内外研究现状l国外：如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学，德国Daimler Benz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。l国内：有北京大学、清华大学、复旦大学、哈尔滨工业大学、中科院上海微系统所、中北大学等，都对陀螺进行了深入的研究，取得了一定的成果，但无商业化产品，处于研究阶段。德国德国BoschBosch公司公司芬兰赫尔辛基工业大学芬兰赫尔辛基工业大学土耳其安卡拉中东科技大学土耳其安卡拉中东科技大学日本日本Mu
14、rata Mfg.CoMurata Mfg.Co美国美国MichiganMichigan大学大学返回返回单单位位结结构特点构特点检测检测机理机理灵敏度灵敏度/分辨率分辨率噪声噪声/漂移漂移美国Michigan大学振动环式电容检测25Hz带宽下分辨率0.5/s7.2/h日本Murata Mfg.Co独立梁式电容驱动电容检测25Hz带宽下分辨率0.07/s/土耳其安卡拉中东科技大学电容驱动3mm3mm电容检测真空24mV/s大气100V/s/芬兰赫尔辛基工业大学框架式角振动电容检测信噪比51.6dB德国Bosch公司双质量块电磁驱动电容检测18mV/s量程为100/s国外微机械陀螺的特点与性能指标
15、北京大学、清华大学、复旦大学，中科院上海微系统所返回返回单单位位结结构特点构特点检测检测机理机理灵敏度灵敏度噪声噪声/漂移漂移北大谐振式电容检测22mv/s清华角振动电容检测1.9mV/s/复旦双质量块电容驱动压阻检测电桥输出0.22V/s/中科院双质量块电磁驱动电容检测9.8mV/s中北大学谐振式电容检测0.7mV/s国内微机械陀螺的特点与性能指标 从国内外发展现状来看，微机械陀螺的特点总结如下：1、机械结构：圆环、独立梁、框架、双质量块 2、驱动方式：电容驱动的多 3、检测方式：电容检测的多 4、使用的材料：都是Si基，灵敏度mV级5、微机械陀螺应用、微机械陀螺应用 微机械陀螺目前精度在1
16、0-2/h左右，还将进一步提高到10-3/h。随着先进的微电子技术的发展，预计微机械陀螺的价格将会在一美元到几百美元之间。其低廉的价格使其具有广阔的应用前景，有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。智能手机中智能手机中汽车中汽车中空中无线鼠标中空中无线鼠标中数码相机中数码相机中智能机器人中智能机器人中应用举例应用举例应用前景展望应用前景展望 在MEMS中还存在着大量具有挑战性的力、磁、电等问题需要研究,对这些问题的有效解决则将会加快推动微机械陀螺仪技术的发展1、应用比重增大2、仍然面临挑战 过去几十年内，在汽车工业需求的推动下,微陀螺技术取得了长足进展，随着对传感器小型化、集成化的应用需求，其在应用领域中的比重将会不断增大。