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1、微机电系统设计学读书报告 -浅谈微机械陀螺仪 0 引言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。陀螺仪的发展大致经历了下列几个过程：从20世纪50年代的液浮陀螺仪到70年代的动力调谐陀螺仪(又
2、称挠性陀螺仪，DTG)，从20世纪80年代的环形激光陀螺仪(RLG)、光纤陀螺仪(FOG)到90年代的振动陀螺仪以及目前研究报导较多的微机械电子系统陀螺仪(简称微机械陀螺仪，MEMSG)1。微机械陀螺仪在军事领域方面的应用尤为重要， 如Honeywell最近研究出的GG5300三轴微机械陀螺封装件高度3.3厘米，直径5.0厘米，专为导引头瞄准线稳定、飞行控制、炮塔稳定而设计，已经成功应用于全球鹰无人机上。微机械陀螺仪属于微电子机械范畴，按材料分可分为硅微陀螺、石英微陀螺、压电陶瓷微陀螺等。石英材料结构的品质因数Q值很高，陀螺仪特性最好，且有实用价值，是最早商品化的；硅材料结构完整，弹性好，比较
3、容易得到高Q值的硅微机械结构，随着深反应刻蚀技术（DRIE）的出现，体硅微机械加工技术的加工精度显著提高，因此两种材料的微机械陀螺在市场上都有着广泛的应用。1 微机械陀螺仪硅微机械陀螺仪的结构常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等。目前世界上研究的石英微机械陀螺按照结构大致可以分为：单端音叉石英微陀螺、双端音叉石英微陀螺、双端固定石英音叉微陀螺、双“”型石英微陀螺、双锤头型石英微陀螺和三角型石英微陀螺等。用来产生参考振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等，而检测由科氏力带来的附加振动的检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测等。光学检测也可用，
4、但由于成本太高，因而没有太大的适用价值。微机械陀螺仪根据驱动与检测方式分为四种： 静电驱动，电容检测； 电磁驱动，电容检测； 电磁驱动，压阻检测； 压电驱动，电容检测。其中静电驱动、电容检测的陀螺仪设计最为常见，并已有部分产品已研制成功。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度，通过被激励的振动体对哥氏加速度的敏感来测量角速度。1988 年，美国德雷伯实验室研制出第一台框架式角振动微机电陀螺仪，1993 年又研制出性能更好的音叉式线振动陀螺仪。影响其应用的主要问题是精度限制，提高精度的手段主要是改进微细加工工艺和误差分离/补偿技术。目前实现的工程化的MESM 陀螺仪精
5、度在国外已达到1（）/h 以内2。分析和评价陀螺的性能，需要制定一系列的衡量准则，为其应用提供一定的参考依据。总体而言，表征陀螺性能的主要指标有: 标度因数稳定性、漂移稳定性、随机游走、量程和成本等等。依据上述指标将陀螺划分为4 类: 战略级、惯导级、战术级、商业级3，如表1。表1 陀螺性能指标的划分就目前已研制成功的微机械陀螺仪来说，其结构有以下两种： 音叉式结构，它利用线振动来产生陀螺效应； 双框架结构，它利用角振动来产生陀螺效应。双框架角振动微机械陀螺仪研制较早，虽制作工艺简单，但音叉式线振动微机械陀螺仪的灵敏度优于双框架角振动微机械陀螺仪。图1为调谐音叉式微机械陀螺( TFG) 的工作
6、原理图。如图所示，在绕与质量块速度矢量垂直的输入输出轴上施加角速率将引起哥氏力，它推动质量块进入和跳出振荡平面。由于相关质量块的瞬时速度矢量大小相等、方向相反，将引起反平行移动以响应哥氏力。最终的运动由两个质量块的上下电容板测量，给出的信号与施加的输入速率成比例。图1 TFG陀螺的工作原理图2 国内外微机械陀螺仪的发展现状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
7、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SiVSG 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
8、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。3微机械陀螺的应用31惯性平台 陀螺技术的发展促进了惯性平台的发展，惯性稳定平台由于能够隔离载体( 导弹、飞机、战车及舰船)的运动干扰，不断调整平台的姿态和位置的变化，精确保持动
9、态姿态基准。利用陀螺仪使平台保持稳定，不管导弹飞行时姿态发生多大变化，平台相对于惯性参考坐标系的方向始终保持不变，因而可以简化导航计算，洲际弹道导弹、潜地弹道导弹、远程巡航导弹和大型运载火箭基本上都采用平台式惯性制导，陀螺用于测量敏感平台相对于惯性空间的角速率，稳定平台根据陀螺测得的惯性角速率，输出一个反向作用力以抵消载体运动的影响，从而保持平台的姿态稳定，在平台稳定的情况下，载体才能高效、精确、稳定地完成相应的工作和任务，因此，陀螺的性能对于惯性平台有重要意义。由于技术、精度以及出口限制，微机械陀螺在国内应用相对较少，但在国外高精度微机械陀螺已经广泛应用到了军事领域。 1）美国BEI公司Sy
10、stemDonner惯性公司研制出的GyroChipTM系列微机械陀螺，如Horizon、QRS11、QRS116、SDD3000，是一类高性能的固态石英音叉型振动陀螺。QRS116已经应用到捕食者无人机上，而SDD3000则已应用作全球鹰无人机的稳定平台中，其中SDD3000的性能参数如表2所示。表2 BEI公司SDD3000的系统特性 2）美国霍尼韦尔公司研制的新型两轴微机械陀螺GG5200和三轴微机械陀螺GG5300，专为导引头瞄准线稳定、天线指向稳定、炮塔稳定和飞行控制而设计。目前，GG5200 已替代传统的机械陀螺应用到Stryker 装甲车的炮塔稳定平台中，而三轴微机械陀螺GG53
11、00采取了最先进的硅微电系统加工技术，使其具备比GG5200更高的稳定性和精度，被应用于美国M1主战坦克上4。图3列出了微机械陀螺在武器装备上作为惯性平台的具体应用。a) GG5200和Stryker装甲车 b）GG5300和M1主战坦克图3 霍尼韦尔公司微机械陀螺仪惯性平台32姿态平衡飞机上有陀螺仪，其安装在飞机驾驶舱的仪表盘上。陀螺仪在飞行时起的主要作用并不是稳定飞机，而是指示飞机飞行姿态，也叫姿态仪，告诉你飞机仰角，俯角，倾角（飞机空中转向时两翼与水平面的夹角）。由于陀螺仪在工作状态下，保持绝对姿态，所以可以指示飞机飞行时姿态，以保证飞行员掌握以及控制飞机的飞行姿态，保证飞机安全，正常飞
12、行。美国BEI公司QRS116成功用于F-22上，用作姿态平衡保持，而SDD3000则已应用作全球鹰无人机的稳定平台上，确保无人机在复杂的环境中保持平衡5。图4展示了飞行中保持平衡的战机。a）F-22战机 b）全球鹰战机图4 微机械在姿态仪中的运用在航空航天领域、航海、水下作业以及各种导弹在飞行过程中，都需要姿态平衡，同时，在航空航天、导弹武器领域，对陀螺仪的精度、体积、重量都有严格的要求，人们在设计相关陀螺仪时，希望以更小的质量、更高的精度、更小的体积、更低的成本，而微机械陀螺仪使其成为现实。33电子设备受制于成本和尺寸，一直以来微机械陀螺仪只在军用设备、飞机导航以及高档汽车等非价格敏感设备
13、上使用，近年来，随着制造工艺的成熟，核心ASIC设计的改良以及封装技术的突破，价格和尺寸不断下降，MEMS陀螺仪开始进驻消费电子市场，逐渐在玩具，数码相机(防震防抖)上使用。而2010年苹果在iphone4上率先采用了MEMS陀螺仪，标志着MEMS陀螺仪正式进入了手机这一全球最大消费应用市场。如果将MEMS陀螺仪与加速度计整合在一起，则能更完整的传感出物体的运动状态。目前手机用微机械陀螺仪的价格还是偏高，只能在少数高端手机上应用。而微机械陀螺仪配合其它MEMS传感器以及其它模拟器件，能够实现的功能可谓是千变万化，应用相当广泛，给使用者以逼真的体验，而陀螺仪应用于数码相机、数码摄像机中，则可以实
14、现防抖功能，使拍摄的照片、录像更加清晰、真实。如图5所示，苹果手机、摄像机中运用陀螺仪。a）苹果4S手机 b）摄像机图5 微机械陀螺仪在电子设备上中的运用4微机械陀螺的优势微机械陀螺技术发展迅速，特点突出，应用前景良好，主要体现在以下几个方面6:1) 体积越来越小，精度越来越高，设计方案呈多样化。陀螺先后经历振动框架式、谐振音叉式、振动轮式、振环陀螺、四叶式等形式，陀螺漂移10 ()/h。硅微陀螺ADXRS系列产品尺寸为7mm7mm3mm，质量小于1g，技术方案的不断创新，从工作机理上减少了误差源，提高了精度。2) 工艺和封装技术日趋成熟。微机械陀螺加工工艺主要包括: 面加工技术，体加工技术，
15、基于绝缘基体硅( Silicon on Insulator,SOI)工艺等等。面加工技术主要是基片上淀积或生长多晶硅层来制造微机械结构。体加工技术的基础是单晶硅刻蚀技术，中间层的硅微机械结构经过多次掩膜、双面光刻以及各向异性刻蚀而成，然后与上下层精密键合成一个整体。SOI 工艺结合前两者的优势，它可以得到高质量的单晶硅独立结构，同时保留面加工，具有尺寸小、与IC 工艺兼容、价格低的批量生产优点。目前，上述3类工艺工序操作和控制都得到了发展和提高，完善了微敏感结构工艺工序的膜厚、线宽以及内应力的检测，微结构高深宽比的三维尺寸加工精度能够得到较好的保证，全硅敏感结构工艺正在开发和完善。3) 工程应用领域不断拓展，成功案例越来越多。MEMS 技术正在不断融合，向提高精度、数字化、高可靠性方向发展，成功的应用案例非常多。例如，ADI公司研制的表面工艺的微机械陀螺仪大量应用于民用和工业传感领域，产品销量已经达到几亿只，每只售价仅几十美元，可广泛用于姿态稳定系统以及短距离的战术武器制导，还可以和全球定位系统( GPS) 组合构成导航系统，如Litton公司研制的体硅工艺的微机械陀螺仪已经装备15000套。4) 为冗余控制、精确控制设计与实现奠定基础。传统飞行器上的控制系统姿态敏感和调控设备因为体积大，能耗大，多设备冗余设计只能通过增大飞行器体积，牺牲飞行器
