微機(jī)械陀螺儀技術(shù)研究-

1、針對原子、分子和電子等的極小化研究,尺度特征為微米、納米甚至皮米,研究手段以掃描隧道顯微鏡為代表。這其中,微型化是近二三十年自然科學(xué)和工程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢,而微納米技術(shù)的研究則推動了這一領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro.ElectroMechanical Systems,簡稱MEMS是微納米技術(shù)研究的一個(gè)重要方向,是繼微電子技術(shù)以后在微尺度研究領(lǐng)域中的又一次革命。MEMS是指將微結(jié)構(gòu)的傳感技術(shù)、致動技術(shù)和微電子控制技術(shù)集成為一體,形成同時(shí)具有“傳感一計(jì)算(控制-執(zhí)行”功能的智能微型裝置或系統(tǒng)。MEMS的加工尺寸在微米量級,系統(tǒng)尺寸在毫米量級。它的學(xué)科交叉程度大,其研究已延伸至機(jī)

2、械、材料、光學(xué)、流體、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物等學(xué)科,技術(shù)影響遍及包括各種傳感器件、醫(yī)療、生物芯片、通信、機(jī)器人、能源、武器、航空航天等領(lǐng)域。MEMS的發(fā)展源于集成電路,但又有所區(qū)別:MEMS能夠感知物理世界中的各種信息,并由計(jì)算單元對信息進(jìn)行處理,再通過執(zhí)行器對環(huán)境實(shí)施作用與控制。微型化是MEMS的一個(gè)重要特點(diǎn),但不是唯一特點(diǎn)。首先,MEMS不僅體積小、重量輕,同時(shí)具有諧振率和品質(zhì)因子高、能量損失小等特點(diǎn)。其次,可批量加工特點(diǎn)大大降低了MEMS產(chǎn)品成本:若借助于MEMS器件庫,MEMS的設(shè)計(jì)將更加靈活,重用率更高。最后,強(qiáng)大的計(jì)算能力是MEMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息采集、處理、控制的關(guān)鍵,充分利用集成電路的計(jì)

3、算優(yōu)勢將會拓展MEMS在智能控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展及振動陀螺儀的出現(xiàn),使人們制造出微小型慣性元器件的夢想成為了現(xiàn)實(shí)。在微觀尺寸生產(chǎn)領(lǐng)域制造技術(shù)革命性的發(fā)展,使得小型元器件的尺寸突破了一個(gè)又一個(gè)極限。如掃描隧道顯微鏡,可以實(shí)現(xiàn)原子分辨率;電子束、離子束、X 射線束制造技術(shù),可以使器件的特征線寬做到100.250埃:分子工程也與常規(guī)的平面工藝密切地結(jié)合起來。由于這些技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,使微小型制造業(yè)推進(jìn)到了微米/納米的水平。硅微型機(jī)械振動陀螺儀和硅微型加速度計(jì)等始于七十年代后期,而八十年代后期才真正發(fā)展起來。八十年代后期發(fā)展起來的這類新型慣性元件就是隨著硅微機(jī)

4、械加工技術(shù)的進(jìn)步而涌現(xiàn)出的新型產(chǎn)品。它們具有一系列傳統(tǒng)陀螺儀無法比擬的優(yōu)點(diǎn),主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1.體積小、重量輕利用硅微機(jī)械加工技術(shù)制造的硅微型機(jī)械振動陀螺儀、加速度計(jì)等慣性元件可以放在一個(gè)非常小的芯片上。尺寸可以是微米級的,而且重量也大幅降低。例如1988年美國德雷柏實(shí)驗(yàn)室(Charles Stark Draper Lab研制的框架式硅微型角振動陀螺儀【,其體積僅為600X3002.59in3。而由該實(shí)驗(yàn)室于1994年研制的MMISA和ASIC組成的三維微型慣性測量組合(micro inertial measurement unit,MIMU的體積也僅有2X2X0.5cm3,質(zhì)量為59

5、。據(jù)美國航空與宇航學(xué)會(AIAA的一篇研究報(bào)告【21,用單晶硅片化學(xué)刻蝕方法,在一塊4英寸的硅片上可以批量生產(chǎn)多達(dá)4000個(gè)獨(dú)立的微型慣性儀表。2.可靠性高硅微型慣性元件從結(jié)構(gòu)上沒有了高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。它們的體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn),使得它們特別適合采用冗余配置方案。另外它們可以采用集成化的形式,將慣性元件與電子線路集成在一個(gè)芯片上,這樣可減少干擾,從而使得它的可靠性提高。3.能承受惡劣環(huán)境條件由于硅材料的抗沖擊能力強(qiáng)、硅微型慣性元件的結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),使得它們具有承受惡劣環(huán)境條件的能力。一般可承受10,0009加速度的沖擊。4.壽命長由于硅材料的抗沖擊能力強(qiáng),而且它們沒有了高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子使得

6、其壽命大幅提高。例如美國德雷拍實(shí)驗(yàn)室研制的框架式硅微角振動陀螺儀的使用壽命可達(dá)100,000小時(shí)。5.可批量生產(chǎn)由于微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步,使得硅微型慣性元件的批量生產(chǎn)變得簡單容易。6.功耗低硅微型慣性元件的體積小、重量輕,且通常工作在真空狀態(tài)下,使得它們所消耗的能量非常低,一般能耗在微瓦到微微瓦量級。7.測量范圍大傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子陀螺儀,需要較大的動量矩,所以測量范圍受到許多因素的制約,而硅微型慣性元件就沒有這方面的問題?？梢院苋菀椎氐玫捷^大的測量范圍。8.子線路集成硅微型慣性元件可以采用硅微機(jī)械加工工藝和半導(dǎo)體集成電路工藝來制造。這樣可方便地將硅微型慣性元件和電子線路集成在一起。

7、9.成本低由于硅微型慣性元件采用硅微機(jī)械加工工藝和半導(dǎo)體集成電路工藝來制造,使得它們特別適合規(guī)模化生產(chǎn)和批量生產(chǎn)。所以可大幅提高生產(chǎn)效率,降低單個(gè)元件的成本。陀螺在任何環(huán)境下都具有自主導(dǎo)航的能力,因此自其問世以來,一直被廣泛運(yùn)用于航海、航空、航天、軍事等領(lǐng)域。尤其是在軍事上,陀螺向來是慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件。早在1942年,德國在二次世界大戰(zhàn)中首次在導(dǎo)彈上安裝了由慣性敏感器組成的制導(dǎo)系統(tǒng),其中就是用陀螺來測量和控制導(dǎo)彈姿態(tài)的。一直以來與陀螺有關(guān)的技術(shù)都是各國發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù),發(fā)展十分迅速。在科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的今天,依托現(xiàn)代微機(jī)械加工技術(shù)制作的微機(jī)械陀螺(MS陀螺己經(jīng)成為現(xiàn)代陀螺的代表。微機(jī)械陀螺不僅

8、價(jià)格低,體積小,重量輕,而且可以與微電子加工的電路實(shí)現(xiàn)集成,做到機(jī)電一體化。從綜合性能看,微機(jī)械陀螺適合應(yīng)用于汽車工業(yè)、慣性導(dǎo)航、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、軍事以及消費(fèi)電子等急需大量小型、廉價(jià)陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域。需要特別指出的是慣性導(dǎo)航一直是陀螺,包括現(xiàn)代MEMS 陀螺應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。在現(xiàn)代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中,MEMS陀螺憑借著其體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)被大量應(yīng)用于測量運(yùn)載器(包括火箭、導(dǎo)彈、潛艇、遠(yuǎn)程飛機(jī)、宇航飛行器等角速度、角加速度的變化。通過將利用MEMS陀螺獲得的反映運(yùn)載器當(dāng)前姿態(tài)的電信號輸入計(jì)算機(jī)或微處理器,綜合計(jì)算后輸出指令,控制姿態(tài)控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng),來實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器的完全自主導(dǎo)航。這種由MEMS陀

9、螺構(gòu)成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)無需外界參考信號就能探測出運(yùn)載器本身的姿態(tài)變化,并且不受外界磁場的影響,抗干擾能力強(qiáng),成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)技術(shù)之一?，F(xiàn)在,MEMS陀螺及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在我國國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(包括軍用和民用得到廣泛運(yùn)用,礦產(chǎn)資源鉆探和開采中也有它的蹤跡。另外,MEMS陀螺還廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器、武器、虛擬現(xiàn)實(shí)中。由此可見,這項(xiàng)技術(shù)具有強(qiáng)大的生命力和廣泛的應(yīng)用前景。力學(xué)傳感器和執(zhí)行器是應(yīng)用最為普遍的MEMS器件。它利用微結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)原理,通過各種方式來感知或產(chǎn)生應(yīng)變、電容、靜電力、壓電、壓阻等。力傳感器主要包括微加速度計(jì)、微機(jī)械陀螺及兩者組合而成的微慣性測量組合,其他力學(xué)傳感器還包括液體或氣體

10、壓力傳感器、用于麥克風(fēng)上將說話氣流轉(zhuǎn)換為電能的傳聲器、機(jī)器人操作手上的觸覺傳感器等。通過集成三軸MEMS陀螺和加速度計(jì),構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)靈巧、價(jià)格便宜的慣性測量器件,可取代傳統(tǒng)的慣性裝置,用于車輛、攝像機(jī)等裝置的穩(wěn)定控制、姿態(tài)調(diào)節(jié)和個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)。在軍事上,慣性測量組合可裝備各種精確制導(dǎo)武器,具有體積小、重量輕、抗沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)。美國陸軍己在81mm迫擊炮彈和“神劍155mm炮彈上進(jìn)行了試驗(yàn);此外,美國海軍也正在研究低成本的慣性測量單元,用于魚雷的慣性制導(dǎo)。微機(jī)械陀螺和微加速度計(jì)是微慣性組合的重要組成部分,軍、民用微加速度計(jì)的產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟,而微機(jī)械陀螺還有待于進(jìn)一步的發(fā)展。微機(jī)械陀螺是采用微電子

11、技術(shù),利用化學(xué)蝕刻方法在單晶硅片上制成的超小型的測角裝置,具有外形尺寸小、重量輕、功耗低、啟動快、成本低、可靠性高和易于數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn),其加工工藝可以保證大規(guī)模生產(chǎn),因而成本很低,但它最大的缺點(diǎn)是精度低。微機(jī)械陀螺目前精度在1000/h左右,還將進(jìn)一步提高到100/11隨著先進(jìn)的微電子技術(shù)的發(fā)展,預(yù)計(jì)微機(jī)械陀螺的價(jià)格將會在一美元到幾百美元之間。其低廉的價(jià)格使其具有廣闊的應(yīng)用前景,已在一些新的領(lǐng)域中得到應(yīng)用,如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、天文望遠(yuǎn)鏡、工業(yè)機(jī)器入、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo),甚至是玩具以及電子娛樂設(shè)備上。微機(jī)械陀螺從結(jié)構(gòu)來看,有雙框架結(jié)構(gòu)陀螺、振動輪式陀螺、諧振環(huán)式陀螺、梳狀音叉式陀螺等;從驅(qū)動方式看,主要有靜電

12、驅(qū)動,電磁驅(qū)動,壓電驅(qū)動;從檢測方式看主要有電容檢測、壓阻檢測、壓電檢測,光學(xué)檢測等;從陀螺動力學(xué)運(yùn)動學(xué)方式看,陀螺結(jié)構(gòu)驅(qū)動和檢測運(yùn)動方式主要是線性振動、扭轉(zhuǎn)振動。通過上述各種方式的組合,構(gòu)成了各種各樣的微機(jī)械振動式陀螺。以下對幾種典型結(jié)構(gòu)的微機(jī)械陀螺做個(gè)簡要介紹:l,雙框架結(jié)構(gòu)陀螺雙框架結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺利用轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系角振動產(chǎn)生的科里奧利力效應(yīng)檢測角速度,以1991年美國德雷泊實(shí)驗(yàn)室研制的雙框架結(jié)構(gòu)硅微機(jī)械陀螺為例,其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。它由內(nèi)外框架,互相垂直的內(nèi)外扭轉(zhuǎn)軸及一個(gè)敏感質(zhì)量塊組成。外電極通過位于上下方的電容極板加一交變電場產(chǎn)生靜電力矩引起外框架繞參考軸的角振動,當(dāng)體系存在沿Z軸的角速

13、度時(shí),科里奧利力作用于質(zhì)量塊引起其繞內(nèi)敏感軸的角振動,通過硅片上面的一對電容極板檢測出差分電容的變化,即可檢測出體系角速度。該陀螺采用復(fù)雜的微機(jī)械工藝及IC技術(shù)制成,其內(nèi)外框架振動的特性可由歐拉方程推導(dǎo)得到。當(dāng)外框的振動頻率與內(nèi)框的固有頻率一致時(shí)陀螺的靈敏度最大,這種結(jié)構(gòu)的陀螺檢測在1Hz帶寬的精度為4sec。圖1-1雙框架結(jié)構(gòu)陀螺2.梳狀微機(jī)械陀螺1993年,德雷泊實(shí)驗(yàn)室研制出梳狀音叉式陀螺,如圖l-2所示。它采用梳狀結(jié)構(gòu)靜電驅(qū)動,用撓性折疊梁連接兩個(gè)檢測質(zhì)量塊,在梳狀驅(qū)動器的靜電力作用下,兩個(gè)檢測質(zhì)量塊在平面內(nèi)沿驅(qū)動軸X作反向音叉式運(yùn)動。當(dāng)在檢測質(zhì)量塊的平面內(nèi),沿與驅(qū)動軸相垂直的軸上有輸入

14、角速度時(shí),在科氏力作用下,兩個(gè)檢測質(zhì)量塊作上下相反振動,使得由質(zhì)量塊與質(zhì)量塊下方的電容電極構(gòu)成的電容發(fā)生變化,通過測量電容變化,獲知輸入角速度。該陀螺平面內(nèi)的運(yùn)動阻尼較小,但平面外的運(yùn)動產(chǎn)生壓膜阻尼,阻尼較大。所以檢測模態(tài)的品質(zhì)因子(Q值隨壓強(qiáng)下降會有顯著提高。而對于驅(qū)動模態(tài),品質(zhì)因子并不會隨壓強(qiáng)減小有大幅提高。該陀螺的性能在100mTorr下,驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的品質(zhì)因子分別為40000和5000;在60Hz帶寬下,等效噪聲速率為470dog/hr;在1Hz帶寬下,等效噪聲速率為0.02deg/hr,或角度隨機(jī)游走0.72deg/hr“2【4】。圖l-2梳狀音叉式微機(jī)械陀螺1996年,UC

15、Bcrkdey報(bào)道了一種梳狀驅(qū)動、梳狀電容檢測的Z軸振動式微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu),如圖1.3所示。陀螺采用多晶硅表面微機(jī)械工藝制作,驅(qū)動和檢測均采用梳狀叉指結(jié)構(gòu),中間較短的叉指用于驅(qū)動,上下兩組較長可動叉指與兩側(cè)固定叉指構(gòu)成檢測差分電容。通過器件中間的梳狀電極靜電驅(qū)動慣性質(zhì)量沿X軸方向振動,當(dāng)z軸方向存在輸入角速度時(shí),慣性質(zhì)量受到科氏力作用沿Y方向振動,檢測可動叉指與兩側(cè)固定叉指的差分電容變化,即可感知角速度。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是兩種振動模態(tài)均在XY平面內(nèi),不涉及平面以外的運(yùn)動,通過差分電容結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)力平衡工作模式,陀螺利用靜電修調(diào)檢測模態(tài)諧振頻率可以實(shí)現(xiàn)兩種工作模態(tài)諧振頻率的匹配,提高靈敏度。利用結(jié)構(gòu)的對

16、稱性,通過靜電偏壓可以有效抑制驅(qū)動振動沿檢測振動方向分量帶來的正交誤差。這種微機(jī)械陀螺儀的分辨率可達(dá)1/sec/Hz。圖1.3梳狀驅(qū)動、梳狀電容檢測微機(jī)械陀螺Samsung也報(bào)道了類似工作方式的微機(jī)械陀螺,如圖1_4,其分辨率在2Hz時(shí),為O.1 deg/s工作帶寬為100t-Iz,動態(tài)范圍為90deg/ s卯。1.4梳齒驅(qū)動Z軸微機(jī)械陀螺3.振動環(huán)形微機(jī)械陀螺美國Michigan大學(xué)于1994年首次報(bào)道了一種振動環(huán)形微機(jī)械陀螺,圖15展示了振動環(huán)形微機(jī)械陀螺。1.5振動環(huán)形微機(jī)械陀螺該陀螺由中心錨于襯底,8個(gè)高柔性半圓形輻條支撐的可動圓環(huán)和環(huán)外圍32個(gè)電極組成,整個(gè)圓環(huán)接在一個(gè)電極上。犯個(gè)電

17、極中,一部分用于靜電驅(qū)動以激勵(lì)出兩個(gè)振型,另一部分用于輸出信號檢測,還有一部分是用于伺服的力平衡電極。通過力平衡模式可以增大帶寬和信號響應(yīng)速度。器件靈敏度由第一和第二振型的輸出比值決定。陀螺的靈敏度為0.5。/see,帶寬為25Hz。第一代的振動環(huán)形微機(jī)械陀螺用電鍍鎳作為結(jié)構(gòu)材料,以后又采用厚多晶硅作為結(jié)構(gòu)材料,以提高陀螺性能。4.振動輪式微機(jī)械陀螺美國JPL實(shí)驗(yàn)室1996年報(bào)道了一種可解除驅(qū)動模態(tài)與敏感模態(tài)耦合的振動輪式微機(jī)械陀螺。以后HSG-IMIT陸續(xù)報(bào)道了一種類似振動輪式的微機(jī)械陀螺;振動輪式微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖l_6所示71。瓦1-6振動輪式微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)示意圖振動輪式微機(jī)械陀

18、螺儀采用靜電驅(qū)動技術(shù),給固定在基座上的固定梳狀電極上加載帶直流偏置的交流電壓,驅(qū)動輪上的動齒接地。這樣動、靜齒間便產(chǎn)生大小周期性變化的靜電吸力,使整個(gè)驅(qū)動輪繞其中心軸(即支柱來回振動,并帶動外框架一起振動,此時(shí)若基座相對慣性空間有一定角速度的轉(zhuǎn)動,它將通過支柱和撓性軸給驅(qū)動輪和框架施加力矩,這樣由于哥氏力矩的作用框架將相對于驅(qū)動輪做撓性軸方向的角振動。通過測量這一角振動的幅度就可敏感基座相對慣性空間轉(zhuǎn)動的角速度。以上是一些采用靜電驅(qū)動電容檢測的微機(jī)械陀螺。除此之外,還有電磁驅(qū)動電容檢測或電磁驅(qū)動壓阻檢測的微機(jī)械陀螺;靜電驅(qū)動壓阻檢測的微機(jī)械陀螺以及靜電驅(qū)動光學(xué)檢測的微機(jī)械陀螺。如前所述,在硅微機(jī)械陀螺中,采用靜電驅(qū)動電容檢測比較多。這要是的結(jié)構(gòu)和工作方式與硅微機(jī)械加工技術(shù)比較兼容,器件制作及電路集成相對較為容易。工業(yè)發(fā)達(dá)國家對影響2l世紀(jì)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家防務(wù)的MEMS技術(shù)的發(fā)展十分重視,在原有將傳感器列為優(yōu)先