微制造惯性传感器.pdf

微制造惯性传感器进展微制造惯性传感器进展 吴洪涛 南京航空航天大学机电学院 210016 摘要 摘要 本文介绍了微制造惯性传感器 微加速度计和微陀螺 的发展情况 论述了微加 速度计和微陀螺的基本运行原理 资料介绍的若干装置的不同结构形式及其性能 与设计和 操作有关的重要的结果 提出了其中典型结构的一些应用 说明了微加工惯性传感器未来的 发展趋势 限于篇幅 对界面电子学和惯性元件的封装技术仅作简单讨论 而温度补偿 标 定 自测试验等没有涉及 关键词 关键词 微制造惯性传感器 微加速度计 微陀螺 微制造技术 Abstract In this paper the development of the micro machined inertia sensors the micro accelerator and the micro gyro was introduced The base operation principle of the micro accelerator and the micro gyro has been dissertated Some different types of structures and their properties and the important result related with design and operation has been introduced and the usage of the typical structure has been put forward Their future developing trend have also been interpreted Limited by the length of this paper the aspect of interface electronics and the encapsulation of the inertia parts has not been discussed shortly and the compensation of temperature the demarcate the self meterage experiment have not been involved yet KEY WORD Microm achined Inertia Sensors Micro Accelerator Micro Gyro Micro Machining Technology 一 引言一 引言 微制造惯性传感器 Micromachined Inertial Sensor MIS 包括微加速度计和微陀螺 当前它们已经成为 MEMS 研发的热点 其应用领域包括汽车 航空航天 军事工程 机器 人 机床 交通运输 医疗 计算机等等 目前微制造惯性传感器的巨大需求主要来源是汽 车应用 当前汽车的发展正要求所谓的 2 毫米工程 100 公里耗油量 3 升技术 在 160 公里每小时要听见针落地的声音 这就对汽车的主动安全系统 操作控制稳定系统 电子悬 挂系统 驾车稳定 翻转探测等提出了更高性能的要求 此外 高速机床 机器人等作业和 运输设备也同样需要对其作业过程及进行振动和冲击跟踪和监控 也需要进行安全操作控 制 在医疗领域 需要对病人手术实施主动监控环境监控 图像处理实现摄像机的主动图像 稳定处理 计算机外部设备中由微制造惯性传感器组成的惯性鼠标 可置于人的头顶 使操 作人员的双手得到解放 去完成更高级的操作 上述任务的完成都离不开微制造惯性传感器 微制造可以以几个数量级缩小惯性传感器的尺寸 大大降低制造成本 并且允许与硅片集成 为一体化 随着小尺寸 低成本的微制造惯性传感器的发展 其性能的不断提高 将在更高 级的工程领域中取得应用 例如 未来小卫星 掌上飞机就需要高性能微制造惯性传感器的 应用 图 1 总结了微陀螺仪的性能改善趋势 图 1 微陀螺仪的性能改善趋势 值得指出的是 从运动原理的角度来看 微制造惯性传感器中的微制造加速度计 和 微制造陀螺仪都是基于振动的原理 分别实现直线运动的信息和转动运动方面的信息 所以 微制造惯性传感器将宏观机械运动的三种方式 即 平动 转动和振动熔为一体 这是一个 很有意思的现象 这从某个角度反映出惯性传感器发展到了一定的高度 就微制造陀螺仪而 言 传统的转轮和精密的光纤和环形激光陀螺 可以满足上述工程领域的性能要求 但其价 格太昂贵 而且结构不紧凑 甚至会影响到有关设备和装置的布局 由于不需要机械传动 无需轴承 因此微制造惯性传感器可以做到很小的尺寸 小到毫米以内的尺度 国外 MEMS 产品商业化的情况是压力传感器排第一位 微加速度计排排第二位 微陀螺仪排第三位 下 面我们分别介绍微制造加速度计和微制造陀螺组成的进展情况 二 国外微制造加速度计发展情况二 国外微制造加速度计发展情况 2 1 基本运行原理和技术要求 基本运行原理和技术要求 一般来说 微制造加速度计由测量块 柔性梁 固定基架等部分组成 其力学模型可以 用一个二阶质量 阻尼 弹簧系统描述 M 质量 K 弹簧 P 阻尼 如图 2 所示 外 部加速度使支撑机架相对于质量块产生位移 引起悬挂弹簧的内应力改变 相对位移和悬梁 的应变二者皆可以用来检测外部加速度 这个二阶线形动力学系统的传递函数为 H s 2 22 11 r r s Q s M K s M D s sa sX 1 其中 MK r 固有频率 Q MK 1 2 D 称为品质因子 X 质量块位移 a 外部 待感测的加速度 由 1 可以得到微加速度计的静态灵敏度 2 1 r static K M a X 2 可见 质量的减少 刚度的增加 将导致固有频率的增加 从而使静灵敏度增加 图 2 微加速度计的原理结构示意图 微加速度计装置的主要机械噪声取决于质量块和弹簧以及锚地固定点 anchor 周围的 气体分子的布朗运动 总体噪声等效加速度为 QM TK M TK TENA rB BB 44 3 其中 B K 波尔兹曼常数 T 绝对温度 可见 增加品质因子和质量块的质量对 与减少机械噪声的作用非常显著 3 式也适合微陀螺仪的机械噪声 通常微加速度计的基本指标要求有八项 分别是 灵敏度 Sensitivity 最大运行范围 Maximum operation range 频率响应 Frequency response 分辨率 Resolution 全 程非线形 Full scale nonlinearity 偏移 Offset 离轴灵敏度 Off axis Sensitivity 冲击 残留 Shock survival 对于在汽车和惯性导航中不同应用的微加速度计的基本要求如表 1 所示 表 1 汽车和惯性导航中不同应用的微加速度计的基本要求 2 2 微加速度计装置的若干形式 微加速度计装置的若干形式 1 压阻式装置压阻式装置 Piezoresistive devices 是最早微制造的商业微加速度计 将压敏电阻 装到悬梁上 支撑机架的相对运动引起悬梁伸长和缩短 应力发生改变 压敏电阻值产生改 变 采用由 2 或 4 个压阻组成的半桥或全桥电路进行测量 其优点是 结构简单 制造容易 读数电路简单 因为电桥输出阻抗电压低 缺点是 温度敏感度大 较之电容式全程灵敏度 小 所以需要较大的质量块 体积微加工技术 Bulk micromaching technology 薄膜粘接 Wafer bonding 技术 帮助了这类装置的改善 有报道介绍采用硅作为中间薄膜来形成 质量和梁 而上 下黏附两层玻璃罩来保护结构并提供吸收冲击的阻尼 也有报道介绍采用 硅扩散黏结和后向控制来做成较低的玻璃基和向顶部伸出的硅薄膜来吸收冲击 近年来 出 现与其界面的 CMOS 电路一体化的压阻式微加速度计 该装置基于对 CMOS 过程的较小改 进 来实现加速度计读出 温度补偿电路 利用反向硅薄膜的块蚀刻来制造出微加速度计的 结构 也可以利用静电力或热驱动器的自测式压阻加速度计 上述这些装置的灵敏度典型范 围为 1 2mv g 20 50g 范围内 其未补偿时的温度灵敏度系数 Temperature coefficient of sensitivity TCS 小于 0 2 度 2 电容式装置电容式装置 硅电容加速度计有一系列优点 所以在许多应用场合具有吸引力 从 低成本 大批量汽车加速度计 到高精度惯性级微重力装置等皆有应用 它的优点是 灵敏 度高 直流响应好 噪声低 漂移低 温度影响小 功率耗散低 结构简单 缺点是 对电 磁干扰敏感 原因在于电容式加速度计的感测电极有高的阻抗 电磁干扰这个问题可通过合 理封装 屏蔽以及接口电路等措施予以避免 常用的电容式结构有立式和横向的结构 如图 3 所示 大多数场合采用立式结构 质量块被一个很窄的气隙隔开 与底座形成一个平行的 感测电容 此种状况下 质量块沿 Z 方向运动 电容发生改变 在侧向式加速度计中 一 系列感测指 Sense fingers 附着在质量块上 它们与固定指 Fixed fingers 形成一系列平 行电容 感测方向在质量块平面上 X Y 方向 有些设计应用所谓的 所见即所看 See Saw 结构 即质量块悬于扭梁上 因而使一边较重 另一边较轻 对 Z 向的加速度产 生响应 质量块有时会运动出它的平台 其好处为 具有全范围保护功能和较大的灵敏度以 允许较高的接入电压 电容式加速度计的开环灵敏度正比于质量块尺寸和电容极板的重叠面积 反比于弹簧刚 度和距离平方 早期微加工电容式加速度计采用体积硅微加工和薄膜粘结法来获得体积大的 质量块和高的灵敏度 第一个装置用硅中间薄膜作为阳极粘结到两层玻璃薄膜上形成了 Z 向加速度计的电容 此装置具有两个不同的感测电容 质量块形成中间电极 在上下两层玻 璃上的金属形成固定电极 空气凹槽由在硅或玻璃上所形成的凹槽实现 此装置的质量块质 量为 4 6 毫克 气隙 2um 具有 ug 级的性能 第二代的 Z 向加速度计分辨率高于 1ug HZ 带宽从 0 到 100HZ 偏移的温度系数 Temperature coefficient of offset TCO 30ug 度 TCS 为 150ppm 度 为了减少温度敏感度和长期漂移 后一代装置用三层硅薄膜制造 另一个有 意义的早期设计是用硅 玻璃粘结技术和块微制造以及闭环 读数和控制电路 取得了 120db 动态范围的效果 采用表面微制造技术的加速度计使传感器结构与接口电路集成在单 个芯片上成为可能 这些装置利用沉积多硅层以形成敏感单元 适于纵向或横向电容式加速 度计 接口电路与传感器的集成使检测非常小的电容变化成为可能 1aF 10 18法拉 ADSXL05 的 SEM 图像如图 4 所示 该装置由 Analog Devices 公司研发 具有 0 5mg HZ 的噪声阶 noise floor 测量范围 5g 冲击耐久性 1000g 它利用一个立式和两个横向加 速度计 采用单个元件的三轴加速度计 集成为一个 3 维加速度计系统 2 图 3 立式和横向结构的电容式微加速度 图 4 Analog Devices 公司的 ADSXL05 的 SEM 图像 已广泛应用于汽车安全气囊 一般而言 应用表面微加工技术制造的加速度计可以在大约 100HZ 带宽范围内达到 100ug 分辨率 由于这些装置的质量块体积小 因而机械噪声高 除非装置在真空中包装 噪声可以降低 体积微加工技术制造的加速度计装置由于质量块大 故能取得较高的分辨 率 但一般它要求薄膜粘结 这时就会有大的温度系数 此外 在其厚的结构上形成阻尼孔 也不容易 同时它们也需要在特定压力下控制阻尼的封装技术 3 隧道装置隧道装置 Tunnelling Devices 某些高分辨率物理传感器 包括微加速度计 利用 隧道电流 从隧道附着于运动微结构的一端到另一端 当一端足够接近它的反向电极 应 用底部变形电极产生的静电力 隧道电流就会产生 且在隧道电压 tun V 和位移不变的条件下 保持不变 tun I 如果质量块由外加速度产生位移 读数电路就会响应这个变化 调节低部变 形电压 0 V 以驱使质量块回到它的原始点位置 由此维持不变的隧道电流 加速度可由 0 V 读 出 隧道加速度计可达到很高的灵敏度 同时具有极小的尺寸 tun I 对位移十分敏感 不过 有较大的低频噪声水准 这种加速度计由 JPL 首先研究 其中之一 带宽为几个 KHZ 噪 声阶 HZg 10 7 在 10 200HZ 频率范围 但是需要较高压电流 几十到几百伏 故 限制了其应用 采用溶解薄膜过程 开发了低电压隧道加速度计 噪声谱为 4mg HZ 0 5HZ 0 1 mg HZ 2 5KHZ 最小感测加速度为 8mg 2 5KHZ 带宽 连续工作 720h 偏心和灵敏度变化 0 5 由于此加速度计的闭环模式操作 操作电流很小 所以隧道栅栏 的漂移对传感器性能的影响不大 4 共振装置共振装置 Resonant device 优点 直接按数字输出 第一个共振装置是石英微加 工 硅共振微加速度计一般基于把质量块的惯性力转换为共振梁的轴向力 由此移动它们的 频率这样一种途径 为消除装置的热失调和非线性 不同匹配的共振器构形被采用 报道了 两种高灵敏度加速度计 采用厚薄膜质量块 取得高分辨率 700HZ g 524KHZ 中心频率 和很高的稳定性 在好几天内维持 2ug 但是 它们的带宽很小 小于几个 HZ 最近还 制造了表面微加工共振的加速度计 4 5 它们由平行梁组成 其操作基于共振器截面形状 变形的刚度变化 期望灵敏度高到 10 以上 5 热装置热装置 Thermal Devices 基于热转换原理 从加热器的到吸热垫温度流反比于它 们的分离 故通过热电偶来测量温度 平板之间的分离变化就可以测出 带有运动热电偶阵 列的和固定热源的装置 或者相反 就可以制造出来 6 最近 一种新颖的热加速度计 没有任何机械移动部件 已被制造出来 它基于自由对流热传导 是由热绝缘加热器 形成 热气泡 组成 这个热气泡的热分布在外来加速度有时会发生改变 且对加热器形成不对称 热轮廓形可以由两个系统配置的温度传感器来感测 初始样机灵敏度为 0 6mg 未来其目标 值为亚 ug 级 7 6 其它装置 其它装置 包括光学 电磁 压电原理等 略 三 国外微陀螺仪发展情况三 国外微陀螺仪发展情况 3 1 基本运行原理和技术要求 基本运行原理和技术要求 微陀螺仪的运行原理基于振动原理 通常也称为微振动陀螺仪 根据柯氏力原理 法 国科学家 G G de Coriolis 1792 1843 提出 由柯氏加速度将结构中一个模态的能量转 移到另一个模态 图 5 当质量块沿Y轴的速度是v 则观察者认为质点沿X加速度 2 v 虽然这不是实际存在的力 但对观察者就象真的存在一样 称为柯氏力 其数值 大小等于 2m v 根据柯氏力原理设计制造的微振动陀螺仪结构简单无需任何转动部件 无需轴承 便于维护 可批量制造 图 5 微陀螺仪基本原理 微陀螺的四要素为 分辨率 漂移 尺度因子 零速率输出 ZRO 当外部角速度 不存在时 陀螺输出是一系列白噪声的慢变函数的之和 8 白噪声决定了微陀螺的分辨率 可表达成为每检测带宽上的等效转动标准方差 单位 度 秒 HZ或度 小时 HZ 可 以用新的角随机游动 Angle Random Walk 描述 单位 度 小时 这个慢变函数短时或 长期漂移 漂移用度 秒或度 小时为单位来描述 尺度因子定义为单位转动速率下的输出信 号之改变 其单位是伏 度 秒 最后一个指标对每种微陀螺仪都重要 就是零速率输出 ZRO Zero Rate Output 根据使用要求的不同 陀螺仪可分为三类 速率级 rate grade 战术 级 tactical grade 惯性级 Inertial grade 表 2 列出了对其性能的要求 表 2 对微陀螺仪的性能要求 一段时间内 集中于速率级微硅陀螺的研发 主要在汽车中应用 这种需求的量程范围 为至少 50 度 秒 分辨率 0 1 度 秒 带宽 50HZ 成本在 10 20 之间 9 温度 40 85 度 但 是在惯性导航 机器人 消费电子品中 需要更好性能的微陀螺仪 今天 市场上有的光纤 陀螺精度很高 其中环形激光陀螺表现出良好的性能 可以具有惯性级性能 虽然它们目前 还主要用于战术级 Delco 的 HRG 是一种具有惯性级特性的振动陀螺 9 这种陀螺精度高 但价格昂贵 至今尚未实现体积微小加工 成本低的应用 以低成本取得战术级和惯性级性 能水平的微陀螺一应用是一个挑战性的课题 一般而言 硅微加工陀螺制造过程有四类 包 括 1 硅体积微加工和薄膜粘结技术 2 多晶硅表面微加工 3 金属电铸 electroforming 和 LIGA 4 体积和表面微加工和综合或它们的混合过程 3 2 微制造振动陀螺仪结构的若干形式 微制造振动陀螺仪结构的若干形式 微振动陀螺仪主要类型有振动梁式 14 音叉式 10 13 振动壳式 8 等三大类型 梁式 结构是一种早期结构 当前研发较多者为音叉式陀螺 这是对早期梁式结构的发展 音叉式 将两个或多个叉尖连到一个柄上 在运行时 两个叉有区别地以固定幅值振动 当转动时 哥氏力引起叉上产生不同的正弦波力 正交于主振动 这种力或者从叉的不同弯曲 或者叉 系统的扭振方向检测出来 驱动机构来迫使振动结构共振 可以采用静电 电磁或压电的方 式未在第二模态感测出感应的哥氏力 电容 压阻 或压电感测机制皆可以采用 感测方法 与微制造加速度计基本相同 虽然光学感测也是可行的 但实现起来太昂贵 压电振动陀螺于 1980 早期就已展示 Delco 公司 9 给出了一种熔化的石英 HRG 15 石英音叉 如 Systron Donner 公司 9 10 的石英速率陀螺 压电振动盘式陀螺等 16 石英 振动陀螺在大气压下通过改进性能技术可以得到很高的质量因子 但是其批量生产与 IC 制 造技术不兼容 80 年代后期 在批量生产硅加速度计之后 就开始努力用硅来代替石英微 加工陀螺仪 91 年 The Charles Stark Draper 实验室第一个批量制造了硅速率陀螺 图 6 这个体积硅装置是一个双万向接头的振动陀螺仪 由扭转挠曲结构支撑 振动单元由 P 硅制作 17 外层万向接头由静电驱动 其振荡通过 内部挠曲构件 刚性轴传到内挠曲件 若有在垂直于装置平面的轴向转动 哥氏力将引起内挠曲结构相对其弱轴的振荡 当其频率 驱动频率相同 两频率相同时 可以得到最大的分辨率 采用这种结构可以得到 1HZ 带宽 下 4 度 秒 分辨率 1993 年 Draper 使用薄膜溶解技术 18 改进了 1 2 mm 硅在玻璃上 的音叉陀螺 91 这个陀螺采用静电激振 通过一组交错的梳状驱动 19 以获得一个大 的运动幅值 10um 在基片平面上垂直于驱动模态的转动将激励出平台以外的摆动模态 它通过电容式监控 图 7 的 SEM 图象表示了带孔质量以最小化阻尼 在结构平面内的运动 受到一点的空气阻尼 而在平面外的运动受挤压膜效应 Squeeze 得到很强的阻尼 所以 平面外模态 Q 随压力减小很快增加 与平面的模态相反 在 100mTorr 的压力下 可以得 到 Q 40000 驱动 Q 5000 感测 这种技术优点是泄漏电容小 观测到的噪声等价速 率为在 60HZ 带宽下 470 度 小时 即 h o 72 0 20 尺度因子精度好于 0 1 漂移稳 定性为在一个晚上 55 度 小时 60HZ 带宽下 为 10 100 度 小时 图 6 The Charles Stark Draper 实验室的硅速率陀螺 图 7 The Charles Stark Draper 实验室改进后的硅速率陀螺 SEM 图 若音叉的驱 感频率相等 输出信号将由品质因子放大 就会产生很好的灵敏度 但是 这需要控制装置的尺寸 且常常导致温度漂移问题 因此 音叉式不能做到频率一致 有些 音叉式陀螺采用电磁激励 以获得大的幅值运动 11 12 21 Bosch 公司的硅翻滚速率陀 螺 12 采用体积和表面微制造方法 其激振幅值可以达到 50um 通过永久磁铁 它由两 个体积振动质量组成 每个支承了两个表面微加工加速度计以便感测哥氏力 传感器芯片阳 极粘到支撑玻璃薄膜上 再罩以另一层硅薄膜 常规大气压下 100HZ 带宽以内的分辨率 0 3 度 秒 这多亏了共振形成的大幅度振动 但是却增加了功率消耗 同时对于长期运行 将会产生疲劳问题 感 驱模式的 交叉漂移被最小化 这是通过机械耦合这些模态分离 振荡器和感测质量块 产生稳定的 ZRO 取得的 压阻式检测也用于某些陀螺设计 Daimler Benz 展示了音叉式角速率陀螺 用于汽车 其原理是压阻测量感应音叉装置主干上的剪应变 13 压电驱动机构是采用将压电氮化铝 Aluminum Nitrode AIN 薄膜沉积于一个叉尖上 不过 AIN 和 ZnO 薄膜沉积于硅上会减 少 Q 值 从而引起较大的温度变化和灵敏度下降 22 这个装置通过综合体积微加工和 SOI 的薄膜粘结实现 瑞士 Univ of Neuchatel大学的研究人员展示了基于两组隔离的振动质量块 每个由桥式悬挂的四个梁支撑的音叉式陀螺 21 这两个质量块由在平面中反向电磁激振 转动感应器的平面外运动就可以用四个压敏电阻组成惠斯顿 Wheatsone 电桥感测 灵敏 度 4mv 度 秒 具有优良的线性度 达到 750 度 秒 制造过程为体积微加工 采用薄 膜水平级真空包装 通过阳极粘结硅薄膜来密封玻璃薄膜 一般 封装感应应力可通过降低 阳极粘结玻璃对硅的温度来减少 23 虽然压阻式易于制造 只需芯片的接口电路 但是其 温度灵敏度高 分辨率差 24 报道了电容式体积微加工硅 上 玻璃振动梁 具有振动薄膜 24 双万向架结构 25 由于单晶硅的杨氏模量随晶格方位改变 各向异性 对称振动结构 由单晶硅产生 的 会显示出很大的机械耦合特性 所以有大的 ZRO 且漂移大到甚至难以接受 26 表面微加工振动陀螺也展示 有的已集成到输出电路与单个硅片集成 减少了寄生电容 提高了信噪比 而多晶硅的振动结构 品质因子高 且杨氏模量与方位无关 伯克莱 Berkeley 和三星的研究人员认识到单晶 对偶轴多晶硅表面加工陀螺是有意义的 26 27 三星公司 Samsung 112 114 Berkeley 的 Z 轴陀螺采用梳状驱动 Comb drives 图 8 的静电驱动 质量构成 由哥氏加速度产生的变形通过内部的数字疏状指的感测模态得以感测 该装置为 1mm 见方 采用 Analog Devices BiMEMS 过程的单个模式互阻放大器的集成 其控制与信 号处理电路则放在芯片之外 求积误差清零和模态共振频率调谐是如此完成的 应用控制对 感测指施加直流偏压 此直流偏压产生静电负刚度 它可调节感测模态的共振频率 对此直 流偏压稍作改变 对不同的疏状指 以 V 可产生侧面静电场用来校准驱动模态振荡 和减少积分误差 该装置的分辨率为 10 HZso 第二代改进后 可以达到0 1 HZso 图 8 梳状驱动 Comb Drive SEM 图 三星的装置与伯克莱的类似 7um厚的多晶硅共振质量由 4 个鱼钩形弹簧支撑 28 该 装置未与电路集成 2HZ 下的分辨率为 0 1 度 秒 操作带宽为 100HZ 全程线性度为 1 敏感芯片到 CMOS 的应用集成电路 ASIC 的混合附着用于读数和闭环操作 通过真空陶 瓷封装实现 Murata 展示了一个对侧向角速度敏感的多晶硅陀螺 x 或 y 轴 29 电极 通过硅振荡器的小孔 将磷扩散进硅基体 注射隔离 该装置的开环等价噪声率为 2 HZso 采用注塑隔离策略 尽管简单 却会引起较大的寄生电容 和大量的冲击噪 声 与存在的 PN 结有关 这反过来又导致分辨率下降 1997 年三星报导了一个 3000 埃厚 的多晶硅感测电极 在 7 5um用厚低压化学气相沉积 LPCVD 形成多晶硅共振质量 27 由于检测模态通过挤压膜阻尼形成了高阻尼 这种装置不得不在真空中运作 三星装置在氧 化铝状况下在真空封装 改进的开环等效噪声率是 0 1 HZso 线性度 100 度 秒 柏克莱用表面微加工技术制作了对偶轴陀螺 基于一个 2um 厚的多晶硅转子盘的转动共 振体 如 30 图 9 由于盘子在两个正交方向是对称的 所以感测器可以感测到关于这两 个轴的等价转动 该装置因为与电路集成为一体 随机游动低到 10 h o 只要通过匹配 频率 但以交叉灵敏度增加为代价 同时还报道了十字型玻璃 镍的二轴微加工陀螺 30 其灵敏度为 0 1mv 度 秒 图 9 柏克莱研发的盘式微陀螺仪 推进实验室 JPL 与加州大学 LA 分校合作 研发了体积微加工 MEMS 振动陀螺 用 于空间探测 31 32 这种三叶型陀螺由三个主要部分组成 一个苜蓿叶型的振动结构 一 个硅的基盘 附着于三叶结构上 一个金属支柱 它通过环氧树脂固定在硅振荡器的孔中 在 1X0 7 英寸下 将微陀螺和它的大部分电路封装在里面 该封装陀螺在驱动和感测模态之 间有一个 7HZ 的分频 KHZfres44 1 尺度因子 24mv 度 秒 偏稳定性为 70 h o 角随机游动为 6 3 h o 98年德国的MSG IMIT研究者报告了采用表面微加工精度x轴振动陀螺 MARS RR 它的 ZRO 具有很小 系通过将驱动和感测振动模态解耦得到 33 的 这个 6 2 mm 的装置 如图 10 所示 通过标准的 Bosch 铸造过程来制作 该过程特征 10um厚结构多晶硅层 附 加到埋入多晶硅层 由此确定了感测电极 据称该装置的性能相当突出 随机角游动为 0 27 h o 偏稳定性为 65o h 尺度因子非线性为 0 2 图 10 德国 MSG IMIT 研究的 MRS RR 通用电机公司和密西根大学的研究者开发了环形振动陀螺 8 较前述的音叉式等形式 其性能更为优异 如图 11 所示 该装置由一个环 半圆支撑弹簧 驱动 感测 平衡电极 沿结构分布 所组成 对称性考虑要求至少八个弹簧以产生平衡装置中两个相等的固有频 率 33 该环由静电驱动来产生平面内椭圆形的初级柔性模态 固定幅值 当它获得法向 轴的角速度 哥氏力引起能量转移到次级柔性模态 它相对于初级模态差 45 度相位角 引 起与初级模态成比例的感测振幅 通过电容式感测和监控 振动环式结构具有若干重要的特 点 较之其他形式 1 固有的对称性使其对寄生的振动不敏感 仅在当环梁有质量或刚度 不对称时 环境振动才会诱发寄生振动 2 由于结构的两个柔性模态 具有名义上相等的 共振频率 用于感测模态 传感器的灵敏度就由结构的品质因子来放大 可导致更高的灵 敏度 3 振动环对温度不敏感 在于两个振动模态受温度的影响是相同的 4 结构可以实 现电子平衡 由刚度和质量分布的不对称所引起的频率不匹配 皆可以利用补偿电极 也设 置在结构周围 实现电子补偿 图 11 密西根大学研究的环形振动陀螺 第一个环式振动陀螺采用将镍电铸到聚脂亚胺 或光阻 模上 此模固定在后置电路过 程的硅基座上 8 33 34 该陀螺在 25HZ 带宽下的分辨率约 0 5 度 秒 受读数电路噪 声限制的 传感器集成在低输入电容的源跟随缓冲放大器芯片上 零偏漂移在温度范围 40 85 度内 10 度 秒 同样温度范围内 灵敏度变化为 3 尺度因子非线性度 在 100 速率范围 小于 0 2 34 为进一步改善其性能 最近又制作了新的多晶硅环形陀螺 PRG 123 该陀螺是由密西根大学通过单薄膜 全部硅 纵横比的 P 多晶硅槽再填充技术完 成的 35 在这个新过程中 振动环和支撑弹簧的完成是由再填充干的蚀刻槽通过多晶硅沉 积在 LPCVD 氧化牺牲层上来实现的 每个感测电极由 P 硅岛 12um 厚 来制作 悬挂 在乙二胺 邻苯二酚 EDP 刻蚀槽上 图 12 展示 1 7 1 7 2 mm PRG 该装置提供了一系列重要特性 使之适用于高性能陀螺 包括 小的环电极间隙空间 2KHZ 增加驱动振动的 幅值 drive q 可以得到更大的哥氏力 由此改进分辨率 需要注意的是 机械结构的基本 噪声分量是由于感测模态的布朗运动引起的 它的噪声等效加速度由 3 式给出 该加速 度噪声对应于输入转动速率噪声 它的谱密度由每个特定装置的传函决定 从输入转动速率 到感测模态加速度 所以 在高的品质因子 真空中操作 下 通常分辨率不是由结构的 布朗运动决定 而是由读出电路噪声所决定的 一个重要的特性参数是其零速率输出 或称为零偏 振动机械结构和 或感测驱动电极 的几何不完善 以及这些电极之间的电子耦合将会在没有转动输入的情况下产生输出信号 例如 音叉式设计中 由于制造装配 质量叉尖的中心就不是准确地落在振动平台上 其惯 性力就产生关于主干部分的振动扭矩 就象哥氏力一样 这种误差 常称为积分误差 可以 从速率信号简单地区别出来 因为它是在哥氏力感应信号的相积分中 如果这个误差太大 就会引起感测转速率的误差 甚至会使放大器饱和 17 在壳式陀螺设计中 结构不对称的 阻尼 清楚地显示它作为不同的感测和驱动模态品质因子 也会引起 在无转动下的 有限 输出 7 通过电子或机械地解除感测与驱动模态 以及通过制造过程误差的最小化 ZRO 可以大幅度减少 12 32 较大的品质因子和较低的固有频率可进一步减少 ZRO 其漂移简 单地因为下列事实 这两个因子增加了传感器的开环灵敏度 因此 高质量材料 具有低的 内阻尼的 将改善传感器的精度 剩余的零偏可以进一步通过电子方法减小 例如 Ni 环 陀螺可以修整 可以将零偏从 60 度 秒 减少到 0 5 度 秒 高性能陀螺仪应该在一个较宽的动态范围 大到 140Db 条件下具有精确的尺度因子 该尺度因子应该具有小的温度灵敏度 所以必须对材料给予特别的考虑 基于硅基座或 胶 合在硅结构上的 压电层的材料结构将会随温度导致尺度因子的大幅度变化 全硅材料的装 置适合于高性能应用 共振频率随温度的变化 基于杨氏模量的温度依赖性 也同样会影响传 感器的尺度因子 所以需要采取对尺度因子的温度补偿 为得到高的机械品质因子 内外部 能量损失都必须最小化 因此需要不辐射声能的平衡的 对称的 绝缘的结构 在平衡对称 的结构中 对于结构刚体运动由线加速度引起的的输出信号依赖性 可以来用电子方式地剔 除 音叉设计的平衡系统 由两个反向振荡的对称叉尖组成 在连接点处无运动 所以可以 惯性稳定地安装在此连接点 假如振荡装置在真空中操作 则由于空气分子对挤压薄膜阻尼 的能量损失就可以大大地减少 这需要气体密封 低应力 鲁棒地真空封装技术 真空水 平 32 10 10 Torr 粘结到传感器基座上的硅或玻璃薄膜 12 21 可以提供气体密封 芯片级的封装 如果结构由低损耗材料制造例如 单晶或多晶硅 则内部能量损失减少 另 一个对振动机械单元的关心是长期漂移和疲劳问题 小的振动幅值有助于减少这些问题 最后 读数 信号处理或控制电路对于开环和闭环操作都是必要的 电路的一部分驱动 第一模态到达共振 并维持振动幅值不变 结构运动非常小的哥氏感应信号然后就由读数电 路感测出来 低噪声的读出技术需要采用二极管 8 晶体管 36 和亚阈值 Subthreshold MOS 装置 110 精心的偏置策略 传感器和读数电路整体集成会减少相互作用的寄生信号 从而改进传感器的分辨率 采用特定的自举 Bootstrapping 技术 33 36 寄生电路可进一步 减少 Delco 电子公司展示了 CMOS ASIC 芯片 用于闭环操作电铸环形陀螺仪 37 它由 4 个反馈电路组成 并提供了必要的电路来补偿传感器的不均匀性 它的偏差和灵敏度变化随 温度 40 85 度 也可以补偿 高性能陀螺将继续需要精度 低噪声 寄生不敏感的接口 电路能产生渺法拉变化 10 18法拉 已便适用于尽可能小的输入电容 3 4 微制造振动陀螺仪的商业化和未来趋势微制造振动陀螺仪的商业化和未来趋势 受汽车工业需求牵引 微陀螺仪在过去几年中成为广泛研究和开发的主题 在相当短的 时间内微陀螺仪的性能大大得以提高 如图 1 所示 从 91 年起 随机游动这项指标大概每 两年就下降 10 倍 无论体积和表面微加工装置 而且表面微加工也在缩小与体积微加工 的差距 尽管这一趋势并不是无限地 但是预期在至少在 5 到 10 年内 可以看到进一步地 改进 仍然在做许多努力来进行大批量生产陀螺 生产成本 性能和可靠性是微陀螺商业化 关键要素 精密地微制造技术 鲁棒性的真空包装 和高性能的接口电路以及电子调谐技术 将是需要的 以便减少生产成本 适应大量汽车市场需要的 38 93 年以来 Draper 和 Rockwell 国际公司合作来商业化 Draper 的硅音叉陀螺仪 应用于汽车领域 39 其他公司 如通用电机 Analog Devices 三星也对不同结构陀螺作了大量的研发工作 38 展示了他 们的样品 Bosch 12 开始了大量生产 Yaw 偏航 传感器 还有许多其他公司也在拓展微 陀螺的应用 一般来说 全硅的混合模式 体积 表面 制造技术 结合高纵横片深度干蚀刻技术 能适应未来高性能陀螺仪的需要 通过牺牲层蚀刻 高纵横比 原结构产生的高品质因子以 及均匀材料特性 以及芯片级真空包装 所形成的亚微米电容缺口 缝隙 将以阶的形式改 进其性能 厚的 高纵横比结构 由深度干蚀刻形成 将产生大的感测电容 具有较大的振 荡质量 大质量反过来还有助于改善性能且简化包装 通过将电容缝隙减小到亚微米水平 偏后和控制电压也会达到 CMOS 可接受的水平上 未来的高性能战术级和惯性级陀螺将应 用动态电子结构调谐来补偿传感器的温度和长期漂移效应 未来也期望多轴装置的微惯性传 感器集成于一个芯片上 如图 13 示 这是一个 6 自由度的惯性系统 1MU 由加州伯克 莱研发 国立 Sandia 实验室制造 3 30 图 13 集成的 6 轴微陀螺仪惯性单元系统 美国 Sandia 实验室制造 四 小结 本文介绍了微制造惯性传感器 微加速度计和微陀螺 的发展情况 论述了微加速度计 和微陀螺的基本运行原理 资料介绍的若干装置的不同结构形式及其性能 与设计和操作有 关的重要的结果 提出了其中典型结构的一些应用 说明了微加工惯性传感器未来的发展趋 势 微惯性陀螺仪的发展方向是壳式结构 壳式结构将成为未来高精度微陀螺仪的主流 全 硅的混合模式将成为微陀螺仪设计制造的主流方向 参考文献 参考文献 1 Farrckh Ayazi A HARPASS polysilicon vibrating ring gyroscope IEEE J of Microelectronical Systems 2001 Vol 10 No 2 PP 169 179 2 L M Rolance and J A Angle A batch fabricated silicon accelerometer IEEE Trans Electron Devices vol ED 26 pp 1911 1917 Dec 1979 3 C Lu M Lemkin and B Boser A monolithic surface micromachined accelerometer with digital output IEEE J Solid State Circuits vol 30 pp 1367 1373 Dec 1995 4 T A Roessig R T Howe A P Pisano and J H Smith Surface Micromachined resonant accelerometer in Tech Dig 9th Int Conf Solid State Sensors and Actuators Transducers 97 Chicago IL June 1997 pp 855 862 5 Y Omura Y Nonomura and O Tabata New Resonant accelerometer based on a rigidity change in Tech Dig 9th Int conf Solid State Sensors and Actuators Transducers 91 San Francisco CA June 991 pp 420 423 6 R Hiratsuka D C van Duyn T Otraedian and P de Vires A novel accelerometer based on a silicon thermopile In Tech Dig 6th Int conf Solid State Sensors and Actuators Transducers 91 San Francisco CA June 1991 pp 420 423 7 A M Leung J Jones E Czyzewska J Chen and B Woods Micromachined accelerometer based on convection heat transfer in Proc IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop MEMS 98 Heidelberg Germany Jan 1998 pp 627 630 8 M W Putty and K Najafi A micromachined vibrating ring gyroscope in Tech Dig Solid State Sensor and Actuator Workshop Hilton Head Island SC June 1994 pp 213 220 9 R R Ragan and D D Lynch Inertial technology for future Part X Hemispherical resonator gyro IEEE Trans Aerosp Electron Syst vol AES 20 p 432 June 1984 10 J Bernstein S Cho A T King A Kourepinis P Maciel and M Weinberg A micromachined comb drive tuning fork rate gyroscope in Proc IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop MEMS 93 Fort Lauderdale FL Feb 1993 pp 143 148 11 M Hashimoto C Cabuz K Minami and M Esashi Silicon resonant angular rate sensor using electromagnetic excitation and capacitive detection J Micromech Microeng pp 219 225 1995 12 M Lutz W Golderer J Gerstenmeier J Marek B Maihofer S Mahler H Munzel and U Bischof A precision yaw rate sensor in silicon micromachining in Tech Dig 9th Int conf Solid State Sensors and Actuators Transducers 97 Chicago IL June 1997 pp 847 850 13 R Voss K Bauser W Ficker T Gleisser W Kupke M Rose S Sassen J Schalk H Seidel and E Stenzel Silicon angular rate Sensor for automotive application with piezoelectric drive and piezoresistive read out in Tech Dig 9th Int conf Solid State Sensors and Actuators Transducers 97 Chicago IL June 1997 pp 879 882 14 K Maenaka and T Shiozawa A study of silicon angular rate sensors using anisotropic etching technology Sensors Actuators A vol 43 pp 72 77 1994 15 J Soderkvist Design of a solid state gyroscope sensor made of quartz Sensors Actuators vol A21 A23 pp 293 296 1990 16 J S Burdess and T Wren The theory of a piezoelectric disc gyroscope IEEE Trans Aerosp Electron Syst vol AES 22 pp 410 418 July 1986 17 P Greiff B Boxenhorn T King and L Niles Silicon monolithic micromechanical gyroscope in Tech Dig 6th Int conf Solid State Sensors and Actuator Transducers 91 San Francisco CA June 1991 1986 18 Y Gianchandani and K Najafi A bulk silicon dissolved wafer process for Microelectromechanical systems J Micro electromech Syst pp 966 968 19 W C Tang M G Lin and R T Howe Electrostatically balanced comb drive for controlled levitation in Tech Dig Solid State Sensor and Actuator Workshop Hilton Head Island SC June 1990 pp 23 27 20 M Weinberg J Bernstein S Cho A T King A Kourepenis P Ward and J Sohn A microma