微惯性技术发展现状与未来趋势ppt课件

微惯性技术发展现状与未来趋势,刘志军 2120120999 检测技术与自动化装置 搭讪电话传感器,信号处理,执行器,MEMS是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，对微米/纳米材料进行设计、加工、制造和控制。MEMS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、电子和军事等行业。 美国：微电子机械系统（MEMS） （MicroElectroMechanicalSystem） 欧洲：微系统技术（MST） （MicroSystemTechnology） 日本：微机械（Micromachine ）,MEMS简介,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的特点,1.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 。 2以硅为主要材料，机械电器性能优良。 3.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。 4.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。 5.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,微机电加速度计 微陀螺仪,微加速度计、微陀螺仪外观,隧道电流式加速度计(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，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,硅梁结构图,硅梁结构图,2.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,4.隧道式加速度微传感器,5.伺服式加速度微传感器,微机电加速度计应用,1.倾斜测量和调平系统 2.惯性导航和制导系统 3.医疗器械 4.安全防撞系统 5.提高电梯车辆舒适性,4.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,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,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,MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角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： 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： 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。,1.2 微机械陀螺特点,MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角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： 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： 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,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,体硅工艺制作的微结构,返回,1.3 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,静电驱动电容检测,电磁驱动压阻检测,隧道效应检测,4、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,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。 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Bosch公司,芬兰赫尔辛基工业大学,土耳其安卡拉中东科技大学,日本Murata Mfg.Co,美国Michigan大学,返回,国外微机械陀螺的特点与性能指标,北京大学、清华大学、复旦大学，中科院上海微系统所,返回,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,微机械陀螺目前精度在10-2/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,汽车中,空中无线鼠标中,数码相机中,