MEMS陀螺仪发展综述及技术研究

.1，MEMS陀螺仪开发回顾和技术研究，2，MEMS陀螺仪研究背景，MEMS陀螺仪基本知识，目录，3，1、MEMS陀螺仪研究背景、MEMS陀螺仪应用领域、MEMS陀螺仪国外研究现状、MEMS陀螺仪基本概念、MEMS陀螺仪国内研究现状、MEMS陀螺仪主要性能指标、4，1.1MEMS陀螺仪基本概念，陀螺仪，也称为角速度传感器。根据制作原理和结构，大致可分为转子陀螺仪、光学陀螺、振动陀螺仪三类。振动陀螺是基于协效应工作的机械陀螺，驱动部件是谐振腔，谐振腔的加工技术主要是现有工艺和精细加工工艺两种方式。各种原理的陀螺仪，5，基于微加工工艺制作的陀螺称为MEMS陀螺。MEMS陀螺主要有三种类型：转子、振动和介质。目前，MEMS陀螺的主流是振动型的，转子和介质类的MEMS陀螺比较少见。小型微机械陀螺，1.1MEMS陀螺仪基本概念，6，1.2MEMS陀螺仪主要性能指标、陀螺仪的关键技术指标是零偏置稳定性和角度随机游走。陀螺可以根据零偏置稳定性的大小和其他主要性能指标分为惯性、战术和速度三个级别。不同水平的陀螺仪性能指标要求，7，1.3MEMS陀螺仪应用领域，小、低功耗、低成本、过载电阻、动态范围、可集成等优点，可嵌入电子、信息和智能控制系统，大大减少系统体积和成本，显着提高整体性能，在现代军事领域具有广泛的应用前景。国防部队应用中，精密的微机械陀螺可用于导弹、航空航天、超音速车辆等精度要求高的军用产品，8，1.3MEMS陀螺仪应用领域也随着尖端微电子技术的发展，成本和价格大幅下降。由于价格低廉，预计在民间消费领域也将有广泛的应用领域，将适用于汽车导航系统、望远镜、工业机器人、电脑鼠标、相机、甚至机器人玩具等具有中低价应用需求的产品。9，1.4MEMS陀螺的海外研究现状，微机械陀螺研究始于20世纪80年代，海外相关研究成熟了数十年，美国德赖普斯，ADI公司，伯克利大学，德国戴姆勒本兹，博施公司Boeing公司的8mm直径DRG通过随机角度行走(0.01/h、0.002/rt-hr)获得最佳性能。Sensornor还宣布了零缺陷稳定性0.05/h产品。海外研究的目标是开发比0.01/h稳定性更高的惯性级微机电陀螺，逐步替换激光陀螺和光纤陀螺等传统产品。产品。(a)框架，(b)调谐叉，Draper实验室的MEMS陀螺结构，10，Bosch开发的轮式微陀螺结构，Michigan大学开发的环形微陀螺结构，10，(a)双质量调谐叉(b) 4质量倾转结构(c)圆盘谐振结构，由加州大学欧文校区开发的微机械陀螺结构。11，1.5MEMS陀螺仪国内研究现状，中国的MEMS技术研究起步较晚，但研究活动很活跃，国家已经在MEMS陀螺技术研究方面投入了大量资金。目前，主要科研单位是清华大学、北大、中科院上海微系统所、东南大学、国防科技大学、哈工大等多个单位，经过10多年的努力，对基础理论、加工技术、工程应用领域的研究已经取得了显著进展。不可否认，与外国的差距仍然很大，高性能微机械陀螺的商业化产品很少。，(a)振动轮结构，(b)双质量块陀螺结构，北京大学开发的微机械陀螺，12、(a)振动轮结构，(b)双解耦z轴体硅陀螺结构，东南大学开发的微机械陀螺，(a)振动轮结构，(b)线振动解耦陀螺结构，由清华大学开发的微机械陀螺，13，2，MEMS陀螺仪基本知识，MEMS陀螺仪分类和基本结构，MEMS陀螺仪基本原理，MEMS陀螺仪工艺方法，MEMS陀螺仪制造技术难点，MEMS陀螺仪设计过程和工具，14，2.1MEMS陀螺仪基本原理，微机械陀螺的基本原理是利用科氏力进行能量传递，将谐振腔的一种振动模式激发到另一种振动模式下，后者的振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，测量角速度。科里奥利加速度是由动态参数的旋转和运动点的相对运动相结合而引起的加速度。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。判断方法根据右手旋转定律，v，AC，15，AC，v，如果粒子以极快的速度沿转盘径向简单共振，由右手旋转标准确定，则粒子将在转盘上垂直于简单谐振方向和转盘角速度的第三个方向不断振动，并利用此原理创建微机械陀螺(右图为由电磁驱动共振隧穿效应检测到的微机械陀螺结构)。2.1MEMS陀螺仪基本原理，16，2.1MEMS陀螺仪基本原理，MEMS陀螺仪驱动和测试原理，左边是清华大学2004年提出的数字测量和控制电路原理图。17，2.2MEMS陀螺仪分类和结构，微机构陀螺仪可以分为振动结构、材料、加工方法、驱动方法、测试方法和操作模式等多个方面。微机械陀螺分类，按振动结构，按材料，加工方法，旋转振动结构，线性振动结构，振动板结构陀螺，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，振动调谐叉结构，加速度计振动结构，振动平板结构，18，2.2MEMS陀螺仪分类和结构，微机构陀螺仪可以分为振动结构、材料、加工方法、驱动方法、测试方法和操作模式等几个方面。微机械陀螺分类，按振动结构，按材料，加工方法，旋转振动结构，线性振动结构，振动板结构陀螺，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，振动调谐叉结构，加速度计振动结构，振动平板结构，19，微机构陀螺仪可分为振动结构、材料、加工方法、驱动方法、测试方法和操作模式等几个方面。微机械陀螺分类，驱动方式，电压，静电，电磁，压电检测，电容检测，压阻检测，光学检测，隧道效应检测，工作模式，速度陀螺，速度积分陀螺，闭环模式，开环模式，全角模式，20，微机构陀螺仪可分为振动结构、材料、加工方法、驱动方式、检测方法和操作模式等几个方面。，微机械陀螺分类，驱动方式，传感方式，压电，静电，电磁，压电检测，电容检测，压阻检测，光学检测，隧道效应检测，工作模式，速度陀螺，速度积分陀螺，闭环模式，开环模式，全角模式，全角模式，部分检测方法的MEMS陀螺性能比较，2.2MEMS陀螺分类和结构，22，结构设计方法，结构设计相关内容，作用：结果的相互比较、验证和检查，2.3MEMS陀螺仪设计过程和工具，23，有限元软件，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，古氏效果，3.1MEMS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，初始化大小，软件优化，理论计算，优化大小，灵敏度，噪音，检查，25，2.3MEMS陀螺仪设计过程和工具，结构设计，灵敏度，q值设计，初始化大小，软件优化，理论计算，优化大小，灵敏度，噪音，检查，检查，26，工作原理图，动态模型，动力学方程，谐振状态下的工作模式稳态解决方案，2.3MEMS陀螺仪设计过程和工具，27，工作原理图，动态模型，动态方程，谐振状态下工作模式稳态解决方案，2.3MEMS陀螺设计流程和工具，灵敏度：结论：=x=z时陀螺的检测灵敏度最高。28，典型的MEMS制造工艺，2.4MEMS陀螺仪工艺方法，29、常用MEMS器件加工工艺方法，表面工艺，2.4MEMS陀螺仪工艺方法，先在基板表面上生长薄膜，将薄膜成型为光刻、蚀刻等。优点：与IC轻松集成。30，常用MEMS器件加工工艺，散装硅深度刻蚀工艺，散装硅工艺，2.4MEMS陀螺仪工艺方法，31，特定常用MEMS器件加工工艺：特定刻蚀技术主要用于利用光刻、湿刻蚀、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀等制作MEMS陀螺结构；主要加工工艺加快了分子束外延、薄膜沉积、氧化、扩散、注入、溅射、沉积等技术敏感部件及其电极和引线的生产。粘接技术用于敏感部件和陀螺结构之间的连接。芯片和封装技术用于微陀螺结构和敏感部件组合体单体分离和外部连接引线制作等，完成微陀螺基本单元的制作。2.4MEMS陀螺仪工艺方法，32，1，MEMS，包括微机械陀螺应用程序，机械参数变化大于宏状态，宏物理定律不再完全提供MEMS设计、制造过程、包装和应用程序的说明和指导。这些因素限制阻碍了微机械陀螺的性能提