微机械陀螺仪技术研究-

1、针对原子、分子和电子等的极小化研究,尺度特征为微米、纳米甚至皮米,研究手段以扫描隧道显微镜为代表。这其中,微型化是近二三十年自然科学和工程技术发展的一个重要趋势,而微纳米技术的研究则推动了这一领域的蓬勃发展。微电子机械系统(Micro.ElectroMechanical Systems,简称MEMS是微纳米技术研究的一个重要方向,是继微电子技术以后在微尺度研究领域中的又一次革命。MEMS是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成为一体,形成同时具有“传感一计算(控制-执行”功能的智能微型装置或系统。MEMS的加工尺寸在微米量级,系统尺寸在毫米量级。它的学科交叉程度大,其研究已延伸至机

2、械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科,技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域。MEMS的发展源于集成电路,但又有所区别:MEMS能够感知物理世界中的各种信息,并由计算单元对信息进行处理,再通过执行器对环境实施作用与控制。微型化是MEMS的一个重要特点,但不是唯一特点。首先,MEMS不仅体积小、重量轻,同时具有谐振率和品质因子高、能量损失小等特点。其次,可批量加工特点大大降低了MEMS产品成本:若借助于MEMS器件库,MEMS的设计将更加灵活,重用率更高。最后,强大的计算能力是MEMS系统实现信息采集、处理、控制的关键,充分利用集成电路的计

3、算优势将会拓展MEMS在智能控制等领域的应用。随着微电子技术和微机械加工技术的发展及振动陀螺仪的出现,使人们制造出微小型惯性元器件的梦想成为了现实。在微观尺寸生产领域制造技术革命性的发展,使得小型元器件的尺寸突破了一个又一个极限。如扫描隧道显微镜,可以实现原子分辨率;电子束、离子束、X 射线束制造技术,可以使器件的特征线宽做到100.250埃:分子工程也与常规的平面工艺密切地结合起来。由于这些技术及相关技术的不断发展,使微小型制造业推进到了微米/纳米的水平。硅微型机械振动陀螺仪和硅微型加速度计等始于七十年代后期,而八十年代后期才真正发展起来。八十年代后期发展起来的这类新型惯性元件就是随着硅微机

4、械加工技术的进步而涌现出的新型产品。它们具有一系列传统陀螺仪无法比拟的优点,主要表现在以下几个方面。1.体积小、重量轻利用硅微机械加工技术制造的硅微型机械振动陀螺仪、加速度计等惯性元件可以放在一个非常小的芯片上。尺寸可以是微米级的,而且重量也大幅降低。例如1988年美国德雷柏实验室(Charles Stark Draper Lab研制的框架式硅微型角振动陀螺仪【,其体积仅为600X3002.59in3。而由该实验室于1994年研制的MMISA和ASIC组成的三维微型惯性测量组合(micro inertial measurement unit,MIMU的体积也仅有2X2X0.5cm3,质量为59

5、。据美国航空与宇航学会(AIAA的一篇研究报告【21,用单晶硅片化学刻蚀方法,在一块4英寸的硅片上可以批量生产多达4000个独立的微型惯性仪表。2.可靠性高硅微型惯性元件从结构上没有了高速旋转的转子。它们的体积小、重量轻、成本低等特点,使得它们特别适合采用冗余配置方案。另外它们可以采用集成化的形式,将惯性元件与电子线路集成在一个芯片上,这样可减少干扰,从而使得它的可靠性提高。3.能承受恶劣环境条件由于硅材料的抗冲击能力强、硅微型惯性元件的结构简单等特点,使得它们具有承受恶劣环境条件的能力。一般可承受10,0009加速度的冲击。4.寿命长由于硅材料的抗冲击能力强,而且它们没有了高速旋转的转子使得

6、其寿命大幅提高。例如美国德雷拍实验室研制的框架式硅微角振动陀螺仪的使用寿命可达100,000小时。5.可批量生产由于微电子技术和微机械加工技术的发展与进步,使得硅微型惯性元件的批量生产变得简单容易。6.功耗低硅微型惯性元件的体积小、重量轻,且通常工作在真空状态下,使得它们所消耗的能量非常低,一般能耗在微瓦到微微瓦量级。7.测量范围大传统的转子陀螺仪,需要较大的动量矩,所以测量范围受到许多因素的制约,而硅微型惯性元件就没有这方面的问题。可以很容易地得到较大的测量范围。8.子线路集成硅微型惯性元件可以采用硅微机械加工工艺和半导体集成电路工艺来制造。这样可方便地将硅微型惯性元件和电子线路集成在一起。

7、9.成本低由于硅微型惯性元件采用硅微机械加工工艺和半导体集成电路工艺来制造,使得它们特别适合规模化生产和批量生产。所以可大幅提高生产效率,降低单个元件的成本。陀螺在任何环境下都具有自主导航的能力,因此自其问世以来,一直被广泛运用于航海、航空、航天、军事等领域。尤其是在军事上,陀螺向来是惯导系统的核心器件。早在1942年,德国在二次世界大战中首次在导弹上安装了由惯性敏感器组成的制导系统,其中就是用陀螺来测量和控制导弹姿态的。一直以来与陀螺有关的技术都是各国发展的重点技术,发展十分迅速。在科学技术突飞猛进的今天,依托现代微机械加工技术制作的微机械陀螺(MS陀螺己经成为现代陀螺的代表。微机械陀螺不仅

8、价格低,体积小,重量轻,而且可以与微电子加工的电路实现集成,做到机电一体化。从综合性能看,微机械陀螺适合应用于汽车工业、惯性导航、计算机、机器人、军事以及消费电子等急需大量小型、廉价陀螺的应用领域。需要特别指出的是惯性导航一直是陀螺,包括现代MEMS 陀螺应用最广泛的领域之一。在现代惯性导航系统中,MEMS陀螺凭借着其体积小、重量轻的优点被大量应用于测量运载器(包括火箭、导弹、潜艇、远程飞机、宇航飞行器等角速度、角加速度的变化。通过将利用MEMS陀螺获得的反映运载器当前姿态的电信号输入计算机或微处理器,综合计算后输出指令,控制姿态控制系统和推进系统,来实现运载器的完全自主导航。这种由MEMS陀

9、螺构成的惯性导航系统无需外界参考信号就能探测出运载器本身的姿态变化,并且不受外界磁场的影响,抗干扰能力强,成为各国关注的焦点技术之一。现在,MEMS陀螺及其相关技术已经在我国国民经济的各个部门(包括军用和民用得到广泛运用,矿产资源钻探和开采中也有它的踪迹。另外,MEMS陀螺还广泛应用于医疗仪器、武器、虚拟现实中。由此可见,这项技术具有强大的生命力和广泛的应用前景。力学传感器和执行器是应用最为普遍的MEMS器件。它利用微结构的基本力学原理,通过各种方式来感知或产生应变、电容、静电力、压电、压阻等。力传感器主要包括微加速度计、微机械陀螺及两者组合而成的微惯性测量组合,其他力学传感器还包括液体或气体

10、压力传感器、用于麦克风上将说话气流转换为电能的传声器、机器人操作手上的触觉传感器等。通过集成三轴MEMS陀螺和加速度计,构成一个结构灵巧、价格便宜的惯性测量器件,可取代传统的惯性装置,用于车辆、摄像机等装置的稳定控制、姿态调节和个人导航系统。在军事上,惯性测量组合可装备各种精确制导武器,具有体积小、重量轻、抗冲击性强等特点。美国陆军己在81mm迫击炮弹和“神剑155mm炮弹上进行了试验;此外,美国海军也正在研究低成本的惯性测量单元,用于鱼雷的惯性制导。微机械陀螺和微加速度计是微惯性组合的重要组成部分,军、民用微加速度计的产品已经比较成熟,而微机械陀螺还有待于进一步的发展。微机械陀螺是采用微电子

11、技术,利用化学蚀刻方法在单晶硅片上制成的超小型的测角装置,具有外形尺寸小、重量轻、功耗低、启动快、成本低、可靠性高和易于数字化等优点,其加工工艺可以保证大规模生产,因而成本很低,但它最大的缺点是精度低。微机械陀螺目前精度在1000/h左右,还将进一步提高到100/11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,已在一些新的领域中得到应用,如车载导航系统、天文望远镜、工业机器入、计算机鼠标,甚至是玩具以及电子娱乐设备上。微机械陀螺从结构来看,有双框架结构陀螺、振动轮式陀螺、谐振环式陀螺、梳状音叉式陀螺等;从驱动方式看,主要有静电

12、驱动,电磁驱动,压电驱动;从检测方式看主要有电容检测、压阻检测、压电检测,光学检测等;从陀螺动力学运动学方式看,陀螺结构驱动和检测运动方式主要是线性振动、扭转振动。通过上述各种方式的组合,构成了各种各样的微机械振动式陀螺。以下对几种典型结构的微机械陀螺做个简要介绍:l,双框架结构陀螺双框架结构微机械陀螺利用转动坐标系角振动产生的科里奥利力效应检测角速度,以1991年美国德雷泊实验室研制的双框架结构硅微机械陀螺为例,其结构如图1.1所示。它由内外框架,互相垂直的内外扭转轴及一个敏感质量块组成。外电极通过位于上下方的电容极板加一交变电场产生静电力矩引起外框架绕参考轴的角振动,当体系存在沿Z轴的角速

13、度时,科里奥利力作用于质量块引起其绕内敏感轴的角振动,通过硅片上面的一对电容极板检测出差分电容的变化,即可检测出体系角速度。该陀螺采用复杂的微机械工艺及IC技术制成,其内外框架振动的特性可由欧拉方程推导得到。当外框的振动频率与内框的固有频率一致时陀螺的灵敏度最大,这种结构的陀螺检测在1Hz带宽的精度为4sec。图1-1双框架结构陀螺2.梳状微机械陀螺1993年,德雷泊实验室研制出梳状音叉式陀螺,如图l-2所示。它采用梳状结构静电驱动,用挠性折叠梁连接两个检测质量块,在梳状驱动器的静电力作用下,两个检测质量块在平面内沿驱动轴X作反向音叉式运动。当在检测质量块的平面内,沿与驱动轴相垂直的轴上有输入

14、角速度时,在科氏力作用下,两个检测质量块作上下相反振动,使得由质量块与质量块下方的电容电极构成的电容发生变化,通过测量电容变化,获知输入角速度。该陀螺平面内的运动阻尼较小,但平面外的运动产生压膜阻尼,阻尼较大。所以检测模态的品质因子(Q值随压强下降会有显著提高。而对于驱动模态,品质因子并不会随压强减小有大幅提高。该陀螺的性能在100mTorr下,驱动模态和检测模态的品质因子分别为40000和5000;在60Hz带宽下,等效噪声速率为470dog/hr;在1Hz带宽下,等效噪声速率为0.02deg/hr,或角度随机游走0.72deg/hr“2【4】。图l-2梳状音叉式微机械陀螺1996年,UC

15、Bcrkdey报道了一种梳状驱动、梳状电容检测的Z轴振动式微机械陀螺结构,如图1.3所示。陀螺采用多晶硅表面微机械工艺制作,驱动和检测均采用梳状叉指结构,中间较短的叉指用于驱动,上下两组较长可动叉指与两侧固定叉指构成检测差分电容。通过器件中间的梳状电极静电驱动惯性质量沿X轴方向振动,当z轴方向存在输入角速度时,惯性质量受到科氏力作用沿Y方向振动,检测可动叉指与两侧固定叉指的差分电容变化,即可感知角速度。该结构的特点是两种振动模态均在XY平面内,不涉及平面以外的运动,通过差分电容结构可实现力平衡工作模式,陀螺利用静电修调检测模态谐振频率可以实现两种工作模态谐振频率的匹配,提高灵敏度。利用结构的对

16、称性,通过静电偏压可以有效抑制驱动振动沿检测振动方向分量带来的正交误差。这种微机械陀螺仪的分辨率可达1/sec/Hz。图1.3梳状驱动、梳状电容检测微机械陀螺Samsung也报道了类似工作方式的微机械陀螺,如图1_4,其分辨率在2Hz时,为O.1 deg/s工作带宽为100t-Iz,动态范围为90deg/ s卯。1.4梳齿驱动Z轴微机械陀螺3.振动环形微机械陀螺美国Michigan大学于1994年首次报道了一种振动环形微机械陀螺,图15展示了振动环形微机械陀螺。1.5振动环形微机械陀螺该陀螺由中心锚于衬底,8个高柔性半圆形辐条支撑的可动圆环和环外围32个电极组成,整个圆环接在一个电极上。犯个电

17、极中,一部分用于静电驱动以激励出两个振型,另一部分用于输出信号检测,还有一部分是用于伺服的力平衡电极。通过力平衡模式可以增大带宽和信号响应速度。器件灵敏度由第一和第二振型的输出比值决定。陀螺的灵敏度为0.5。/see,带宽为25Hz。第一代的振动环形微机械陀螺用电镀镍作为结构材料,以后又采用厚多晶硅作为结构材料,以提高陀螺性能。4.振动轮式微机械陀螺美国JPL实验室1996年报道了一种可解除驱动模态与敏感模态耦合的振动轮式微机械陀螺。以后HSG-IMIT陆续报道了一种类似振动轮式的微机械陀螺;振动轮式微机械陀螺的结构示意图如图l_6所示71。瓦1-6振动轮式微机械陀螺结构示意图振动轮式微机械陀

18、螺仪采用静电驱动技术,给固定在基座上的固定梳状电极上加载带直流偏置的交流电压,驱动轮上的动齿接地。这样动、静齿间便产生大小周期性变化的静电吸力,使整个驱动轮绕其中心轴(即支柱来回振动,并带动外框架一起振动,此时若基座相对惯性空间有一定角速度的转动,它将通过支柱和挠性轴给驱动轮和框架施加力矩,这样由于哥氏力矩的作用框架将相对于驱动轮做挠性轴方向的角振动。通过测量这一角振动的幅度就可敏感基座相对惯性空间转动的角速度。以上是一些采用静电驱动电容检测的微机械陀螺。除此之外,还有电磁驱动电容检测或电磁驱动压阻检测的微机械陀螺;静电驱动压阻检测的微机械陀螺以及静电驱动光学检测的微机械陀螺。如前所述,在硅微机械陀螺中,采用静电驱动电容检测比较多。这要是的结构和工作方式与硅微机械加工技术比较兼容,器件制作及电路集成相对较为容易。工业发达国家对影响2l世纪社会经济发展和国家防务的MEMS技术的发展十分重视,在原有将传感器列为优先