MEMS陀螺仪发展综述及技术研究PPT课件

。1、微机电陀螺发展及技术研究综述，2、微机械陀螺仪的研究背景，微机械陀螺仪的基础知识，目录，3，1，微机械陀螺仪的研究背景，微机械陀螺仪的应用领域，国外微机械陀螺仪的研究现状，微机械陀螺仪的基本概念，我国微机械陀螺仪的研究现状，微机械陀螺仪的主要性能指标，4、1.1微机电陀螺仪的基本概念陀螺仪也称为角速度传感器，是一种用于测量物体角速度或角位移的传感器。根据制造原理和结构，大致可分为转子陀螺仪、光学陀螺仪和振动陀螺仪。振动陀螺仪是一种基于科里奥利效应的机械陀螺仪。可移动部分是谐振器。谐振器的加工技术主要包括传统技术和微机械加工技术。各种原理的陀螺仪。5、基于微加工工艺制造的陀螺仪称为微机电陀螺仪。微机电陀螺仪主要包括转子型、振动型和介质型。目前，MEMS陀螺仪的主流是振动式，而转子式和介质式MEMS陀螺仪相对较少。小体积微机械陀螺仪、1.1毫米陀螺仪的基本概念、6.1毫米陀螺仪的主要性能指标、陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性和角度随机游走。根据零偏稳定性的大小和其他主要性能指标，陀螺仪可分为三个等级：惯性级、战术级和速率级。不同等级陀螺仪的性能指标要求。7，1.3毫米汞柱陀螺仪具有体积小、功耗低、成本低、抗过载能力强、动态范围大、集成化等优点，可嵌入电子、信息和智能控制系统中，使系统的体积和成本大大降低，整体性能大大提高，在现代军事领域具有广阔的应用前景。在陀螺仪的传统应用领域中，在国防军事应用中，高精度微机械陀螺仪将用于导弹、航空航天、超音速飞机等具有高精度要求的军事产品中。在8，1.3毫米陀螺仪的应用领域，随着先进微电子技术的发展，成本和价格也将大大降低。其低廉的价格将使其在民用消费领域具有广阔的应用前景，并有望应用于一些新领域，如汽车导航系统、天文望远镜、工业机器人、电脑鼠标、照相机甚至机器人玩具等中低端有应用需求的产品。微机电陀螺仪的研究始于20世纪80年代。经过几十年的研究，国外对MEMS陀螺仪的研究已经相对成熟。许多科研机构和公司，如美国的德雷珀实验室、ADI公司、伯克利大学、德国的戴姆勒-奔驰公司和博世公司、挪威的传感器公司、日本的丰田公司、土耳其、芬兰和其他国家都有商业产品。其中，波音直径为8毫米的DRG的最佳性能为0.01/小时(零偏重复性)和0.002/小时(随机行走角度)。Sensornor还发布了零偏稳定度为0.05/h的产品。国外研究的目标是开发零偏稳定度优于0.01/h的惯性微机电陀螺仪，并逐步取代激光陀螺仪和光纤陀螺仪等传统产品。产品。(a)框架式，(b)音叉式，德雷珀实验室的微机电陀螺仪结构。10，由博世公司开发的轮式微陀螺仪结构，由密歇根大学开发的环形微陀螺仪结构，10，(a)双质量音叉型，(b)四质量摆式结构，(c)由加州大学欧文分校开发的盘式谐振结构微机电陀螺仪结构。11，1.5我国微机电陀螺仪的研究现状。我国对微机电系统技术的研究起步较晚，但正在积极开展研究。该国在微机电陀螺仪的研究上投入巨资。目前，主要科研机构包括清华大学、北京大学、中国科学院上海微系统研究所、东南大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等机构。经过十多年的努力，基础理论、加工技术和工程应用的研究取得了重大进展。然而，不可否认的是(1)振动轮结构，(2)双质量陀螺仪结构，微机电系统，12，北京大学开发，(1)振动轮结构，(2)双解耦Z轴硅陀螺仪结构，微机电系统，东南大学开发，(1)振动轮结构，(2)线性振动解耦陀螺仪结构，微机电系统，13，2，清华大学开发，微机电陀螺仪基础知识，微机电陀螺仪的分类和基本结构，微机电陀螺仪的基本原理，微机电陀螺仪的技术方法，微机电陀螺仪制造的技术难点，设计，14，2.1微机电系统陀螺仪的基本原理是利用科里奥利力传递能量，将谐振器的一种振动模式激发为另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅来测量角速度。科里奥利加速度是由动态参数系统的旋转和动态点相对于动态参数系统的相对运动的相互耦合引起的加速度。科里奥利加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量。判断方法是根据右手进动规律、v、AC、如果一个粒子以非常快的速度沿着转盘的径向做简单的谐波运动，右手进动法则可以用来判断该粒子将在转盘上以垂直于简单谐波运动方向和转盘角速度的第三方向连续振动。基于这一原理，可以制造微机械陀螺仪(右图显示了用于检测电磁驱动共振隧穿效应的微机械陀螺仪结构)。2.1毫米陀螺仪基本原理。16，2.1微机电陀螺仪基本原理，微机电陀螺仪驱动与检测原理，左图为清华大学2004年提出的数字测控电路原理图。17、2.2微机械陀螺仪分类与结构微机械陀螺仪可以从以下几个方面进行划分：振动结构、材料、加工方式、驱动方式、检测方式和工作方式。根据振动结构、根据材料、根据加工模式、旋转振动结构、线性振动结构、振动盘结构陀螺仪、旋转盘结构陀螺仪、正交线振动结构、非正交线振动结构、振动板结构、振动梁结构、振动音叉结构、加速度计振动结构、振动板结构、振动梁结构、振动音叉结构、单晶硅、多晶硅、应时、其他、硅材料、非硅材料、体微加工、表面微加工、LIGA(光刻， 电铸和注射成型)，18，2.2微机械陀螺仪的分类和结构，微机械陀螺仪可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方法，驱动方法，检测方法和工作模式。 微机械陀螺仪根据振动结构、根据材料、根据处理模式、旋转振动结构、线性振动结构、振动盘结构陀螺仪、旋转盘结构陀螺仪、正交线振动结构、非正交线振动结构、振动板结构、振动梁结构、振动音叉结构、加速度计振动结构、振动板结构、振动梁结构、振动音叉结构、单晶硅、多晶硅、应时、其他、硅材料、非硅材料、体微加工、表面微加工、LIGA(光刻、电铸和注射成型)、表面处理结构、微机械陀螺仪19、微机械陀螺仪可分为以下几个方面：振动结构、材料、加工模式、驱动模式、检测模式和工作模式。微机械陀螺仪根据驱动模式、检测模式、压电类型、静电类型、电磁类型、压电检测、电容检测、压阻类型检测、光学检测、隧道效应检测、工作模式、速率陀螺仪、速率积分陀螺仪、闭环模式、开环模式、全角度模式、全角度模式等进行分类。2.2MEMS陀螺仪分类和结构，20。微机械加工微机械陀螺仪按驱动模式分类，按检测模式分类，压电型，静电型，电磁型，压电检测，电容检测，压阻型检测，光学检测，隧道效应检测，按工作模式分类，速率陀螺仪，速率积分陀螺仪，闭环模式，开环模式，全角度模式，2.2MEMS陀螺仪分类和结构。21，微机电陀螺仪在某些检测模式下的性能比较，2.2微机电陀螺仪的分类和结构，22，结构设计方法，结构设计的相关内容和功能：结果的比较、验证和检查，2.3微机电陀螺仪的设计过程和工具，23，静态分析，优化设计，模态分析，瞬态分析，谐波响应分析，结构应力，结构参数，科里奥利效应，振动幅值极限位移，模态形状和频率，敏感器件位置，路径分析，2.3微机电陀螺仪设计过程和工具，常用有限元软件：ANSYS，21、24、3.1毫米陀螺仪设计过程和工具、结构设计、灵敏度、频率匹配、Q值设计、初始化尺寸、软件优化、理论计算、优化尺寸、灵敏度、噪声、检查、25、2.3毫米陀螺仪设计过程和工具、结构设计、灵敏度、频率匹配、Q值设计、初始化尺寸、软件优化、理论计算、优化尺寸、灵敏度、噪声、检查、26、工作原理示意图、动态模型、动态方程、谐振状态下工作模式稳态解、2.3毫米陀螺仪设计过程和工具、27、2.3MEMS陀螺仪的工作原理示意图、动态模型、动态方程、谐振状态下工作模式的稳态解、设计流程和工具、灵敏度：结论：当=x=z时，陀螺仪的检测灵敏度最高。典型的微机电系统制造工艺、2.4微机电系统陀螺仪加工方法、29普通微机电系统器件加工方法、表面工艺、2.4微机电系统陀螺仪加工方法，首先在衬底表面生长薄膜，通过光刻和刻蚀薄膜形成结构。优点：易于与集成电路集成。30、常见的微机电系统器件加工方法、体硅深度蚀刻释放工艺、体硅工艺、2.4毫米陀螺仪加工方法。31、具体常见的微机电系统器件加工方法：具体的刻蚀技术主要包括光刻、湿法刻蚀、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀等。其通常用于制造微机电陀螺仪结构；主要加工技术包括分子束外延、薄膜沉积、氧化、扩散、注入、溅射、气相沉积以及用于制造加速度敏感元件和相应电极和引线的其他技术。键合技术用于敏感元件和陀螺结构之间的连接。划片和封装技术应用于微陀螺仪结构和敏感元件组件的分离、外部连接引线的制造等。完成微陀螺基本器件的制作。2.4毫米陀螺仪技术，32，1。与宏观情况相比，微机电系统的机械参数(包括微机电系统陀螺仪的应用)发生了明显的变化。物理学的宏观规律已经不能完全解释和指导微机电系统的设计、制造