微型陀螺仪.

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1、 华中科技大学机械科学与工程学院2015-2016年第1学期课程报告考生姓名：潜世界考生学号：M201570372专业、班级：机硕1502班课程名称：微纳制造技术基础授课教师：朱福龙课程成绩：考查日期：2015年11月摘要陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。传统的机械陀螺仪由于体积大、成本高、不适合批量生产等因素制约了其在很多方面的应用。在科技发展的推动以及市场需求的牵引下，陀螺仪正朝着高精度、高可靠性、微型化、多轴测量和多功能测量的方向发展。随着MEMS技术的发展，MEMS微细加工工艺在惯性器件制作中的应用大大减小了陀螺仪的尺寸，降低

2、了生产成本，使其能够在汽车、工业自动化、消费电子等领域得到更广泛的应用。文章首先对陀螺仪做了简单的原理和功能介绍，阐述了当前微陀螺仪是非常具有前景的研究防线，并简单介绍了几种常见的微陀螺仪，然后对微陀螺仪的结构进行了简单的分析并且分析了微机械陀螺仪的设计及制造过程和工艺方法并对其中的技术难点进行了分析，也对加工陀螺仪必须的MEMS工艺进行了概述，然后对微陀螺仪的前景及应用进行了进一步的探讨。关键词：微机械陀螺仪、MEMS技术、制造过程AbstractGyroscope is a kind of inertial device which can be sensitive to the angl

3、e or angular velocity of the carrier, which is very important in attitude control and navigation. Because of the large volume, high cost and not suitable for mass production, the traditional mechanical gyroscope has been used in many aspects.Driven by the development of science and technology and th

4、e demand of the market, the gyroscope is developing in the direction of high precision, high reliability, miniaturization, multi axis measurement and multi function measurement. With the development of MEMS technology, the application of MEMS micro machining technology in the fabrication of inertial

5、 device greatly reduces the size of the gyroscope, reduces the cost of production, and can be used in the fields of automobile, industrial automation, consumer electronics and other fields.Firstly, this paper introduces the principle and function of the gyroscope. The current research on the micro g

6、yroscope is very promising, and some common micro gyroscope is introduced. Then the structure of the micro gyroscope is analyzed. The design and manufacturing process and process method are analyzed.Keywords：Micromechanical gyroscopes, MEMS technology, production process一、微机械陀螺仪研究背景（一）概念简介微机械MEMS是英文

7、Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的 21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感

8、器、执行器、驱动器和微系统。（2） MEMS陀螺仪研究历史及发展现状20世纪60年代，GE利用压电石英晶体换能器制造出一个金属振动梁结构的陀螺，随后美国沃尔森公司推出利用石英晶体作为振动体，金属电极激励和检测的石英陀螺，但是当时工艺条件还较为落后，石英陀螺的尺寸还是比较大。后来美国Draper（德雷珀）实验室、美国LITTON（利顿）公司、美国BEI（贝）公司、美国HONEYWELL（霍尼韦尔）公司等推出双端石英音叉陀螺，掀起了微机械陀螺仪的研究热潮，将微机械陀螺由实验室的研究推向大规模的实用化和商业化。图2为微机械陀螺实物图。BEI公司QRS11 BAE公司SiIMU04 BAE公司SiVS

9、G Honeywell公司GG5200 图 2 微机械陀螺实物图目前，国外主要有美国、日本、瑞典、法国等国家在开展微机械陀螺的研究，其中，美国、日本的研制水平最高，微机械陀螺的工艺比较成熟，结构也比较多样，尺寸较小，目前已经广泛在汽车安全气囊、手机等电子设备、飞机辅助导航、机器人、医学手术等民用领域和超音速战机、巡航导弹、无人侦察机等军事领域进入实用化、产品化阶段。我国关于微机械陀螺的研究始于20世纪80年代后期，目前从事微机械陀螺研究的主要有清华大学、国防科技大学、航天科技集团704所等，并且国防科工委从1995年末开始便投入6000万以上的经费用于惯性器件的基础性研究，并且微机械陀螺技术已

10、经纳入863计划之中。尽管国内对微机械陀螺技术的研究有一定进步，但不可否认的是在微机械陀螺的工艺、尺寸、精度和稳定性方面，同国外已经商业化的陀螺产品相比还有一定的差距。（三）研究目的和意义随着微电子技术和微机械加工技术的发展及振动陀螺仪的出现，使人们制造出微小型惯性元器件的梦想成为了现实。在微观尺寸生产领域制造技术革命性的发展，使得小型元器件的尺寸突破了一个又一个极限。如扫描隧道显微镜，可以实现原子分辨率；电子束、离子束、X射线束制造技术，可以使器件的特征线宽做到100250埃：分子工程也与常规的平面工艺密切地结合起来。由于这些技术及相关技术的不断发展，使微小型制造业推进到了微米纳米的水平。硅

11、微型机械振动陀螺仪和硅微型加速度计等始于七十年代后期，而八十年代后期才真正发展起来。八十年代后期发展起来的这类新型惯性元件就是随着硅微机械加工技术的进步而涌现出的新型产品。它们具有一系列传统陀螺仪无法比拟的优点，主要表现在以下几个方面。1体积小、重量轻利用硅微机械加工技术制造的硅微型机械振动陀螺仪、加速度计等惯性元件可以放在一个非常小的芯片上。尺寸可以是微米级的，而且重量也大幅降低。例如1988年美国德雷柏实验室(Charles Stark Draper Lab)研制的框架式硅微型角振动陀螺仪，其体积仅为600X3002.59m。而由该实验室于1994年研制的MMISA和ASIC组成的三维微型

12、惯性测量组合(micro inertial measurement unit,MIMU)的体积也仅有2X2X0.5cm3，质量为5g。据美国航空与宇航学会(AIAA)的一篇研究报告，用单晶硅片化学刻蚀方法，在一块4英寸的硅片上可以批量生产多达4000个独立的微型惯性仪表。2可靠性高硅微型惯性元件从结构上没有了高速旋转的转子。它们的体积小、重量轻、成本低等特点，使得它们特别适合采用冗余配置方案。另外它们可以采用集成化的形式，将惯性元件与电子线路集成在一个芯片上，这样可减少干扰，从而使得它的可靠性提高。3能承受恶劣环境条件由于硅材料的抗冲击能力强、硅微型惯性元件的结构简单等特点，使得它们具有承受恶

13、劣环境条件的能力。一般可承受10000g加速度的冲击。4寿命长由于硅材料的抗冲击能力强，而且它们没有了高速旋转的转子使得其寿命大幅提高。例如美国德雷拍实验室研制的框架式硅微角振动陀螺仪的使用寿命可达100000小时。5可批量生产由于微电子技术和微机械加工技术的发展与进步，使得硅微型惯性元件的批量生产变得简单容易。6功耗低硅微型惯性元件的体积小、重量轻，且通常工作在真空状态下，使得它们所消耗的能量非常低，一般能耗在微瓦到微微瓦量级。7测量范围大传统的转子陀螺仪，需要较大的动量矩，所以测量范围受到许多因素的制约，而硅微型惯性元件就没有这方面的问题。可以很容易地得到较大的测量范围。8子线路集成硅微型

14、惯性元件可以采用硅微机械加工工艺和半导体集成电路工艺来制造。这样可方便地将硅微型惯性元件和电子线路集成在一起。9成本低由于硅微型惯性元件采用硅微机械加工工艺和半导体集成电路工艺来制造，使得它们特别适合规模化生产和批量生产。所以可大幅提高生产效率，降低单个元件的成本。陀螺在任何环境下都具有自主导航的能力，因此自其问世以来，一直被广泛运用于航海、航空、航天、军事等领域。二、微机械陀螺仪原理与结构（一）MEMS陀螺仪基本原理微机械陀螺的基本原理是利用柯氏力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。柯氏加速

15、度是动参系的转动与动点相对动参系运动相互耦合引起的加速度。柯氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量。判断方法按照右手旋进规则进行判断。yx假如质点以非常快的速度沿转盘径向做简谐振动，利用右手旋进准则可判断出，质点将在转盘上不停地沿垂直于简谐振动方向和转盘角速度两方向垂直的第三方向振动，利用这一原理就可制作出微机械陀螺（右图为电磁驱动共振隧穿效应检测的微机械陀螺结构）。一种电磁驱动压阻检测式的MEMS陀螺仪驱动及检测原理开环电磁驱动电路原理框图驱动反馈检测电路原理框图敏感器件检测电路原理框图 (二) MEMS陀螺仪分类及结构 MEMS 陀螺分类方式有多种。按振动形式分: 线振动形式和角振动( 旋转振动) 形式。按使用材料分:硅( 单晶和多晶) 材料陀螺和非硅材料陀螺( 石英、陶瓷等) 。按驱动方式分: 静电式( 平板电容和梳指电容) 、电磁式和压电式等。按检测方式分: 电容检测、压阻检测、压电检测、光学检测、隧道效应检测和频率检测等。按工作模式分: 速率陀螺( 开环模式和闭环模式) 以及速率积分陀螺( 整角模式) 。按加工方式分: 体微机械加工、表面微机械加工和LIGA 等。