微惯性技术发展现状与未来趋势

微惯性技术发展现状与未来趋势刘志军2120120999检测技术与自动化装置搭讪电话：[phone]传感器信号处理执行器MEMS是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，对微米/纳米材料进行设计、加工、制造和控制。MEMS是多种学科的交叉融合，应用领域极为广泛，目前已成功地应用于汽车、电子和军事等行业。美国：微电子机械系统（MEMS）（MicroElectroMechanicalSystem）欧洲：微系统技术（MST）（MicroSystemTechnology）日本：微机械（Micromachine）MEMS简介微机电系统的尺寸在微小尺寸范围内，机械依其特征尺寸可以划分为1-10毫米的小型(Mini-)机械，1微米一1毫米的微型机械以及1纳米一1微米的机械。所谓微型机械从广义上包含了微小型和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指可批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及接口信号处理和控制电路、通讯和电源等于一体的微电子机械系统(Micro-ElectronicMechanicalSystem-MEMS)或称为微机电系统。MEMS的特点1.微型化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、回應時間短。2以硅为主要材料，机械电器性能优良。3.大量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。4.集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器数组、微执行器数组，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。5.多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。微惯性器件类别微机电加速度计微陀螺仪微加速度计、微陀螺仪外观微机电加速度计发展1977年，美国斯坦福大学首先采用各向异性蚀刻与微光刻技术制成一种开环微型加速度计，并于20世纪8O年代初首次投放市场，随后许多公司也纷纷仿效研制。在8O年代后半期，人们开始研究各种力平衡式硅微加速度计，并取得了巨大进展。2O世纪9O年代后期，美国加州大学柏克利分校传感器与执行器研究中心(TheBerkeleySensorActuaterCenter.BSAC)，CSDL及Honeywell公司等相继开展了硅微谐振式加速度计技术的研究，这种加速度计将被测加速度信号转换成谐振器的频率变化，直接输出数字信号，避免了微电容检测的弊端.隧道电流式加速度计(tunnelingbasedmicromachinedsiliconaecelerometer，TMSA)是将微机械加工的微结构与基于电子隧道效应的新的高灵敏测量技术结合在一起形成的。，隧道电流硅微加速度计具有灵敏度高、信噪比大、动态范围广等一系列优点，是一种很有发展前途的新型传感器。国内微机电加速度计技术的研究始于20世纪90年代初，清华大学、中国电科集团第13研究所、49研究所、中国航天科技集团时代电子公司、上海微系统与信息技术研究所、北京大学、东南大学、中北大学、哈尔滨工业大学一重庆大学、上海交通大学、北京理工大学、南京理工大学等多个单位先后从事这方面的研究工作，研制出的产品已能满足中低精度的需求。悬臂梁式加速度微传感器结构图硅梁结构图硅梁结构图2.电容式加速度微传感器三轴式电容式加速度微传感器3.谐振式加速度传感器4.隧道式加速度微传感器5.伺服式加速度微传感器微机电加速度计应用1.倾斜测量和调平系统2.惯性导航和制导系统3.医疗器械4.安全防撞系统5.提高电梯车辆舒适性4.安全防撞系统传感器分辨率灵敏度要求较高，保证适时发出气囊充气的指令。MEMS在汽车中的应用提高电梯车辆舒适性提供安全与舒适的转向架监控和诊断系统，改进乘客舒适度的高速列车倾斜控制系统，磁悬浮列车的位置监控，提供安全与维护的精准列车定位和铁路轨道监控系统。1、微机械陀螺仪基本概念微机械陀螺特点微机械陀螺分类基本概念及组成1.1基本概念及组成陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体旋转快慢的传感器。微机械陀螺仪(MEMSgyroscope)主要有转子式、振动式微机械陀螺仪和微机械加速度计陀螺仪三种。由于工艺限制，在硅衬底上加工出可高速旋转的转子并不容易，因此转子式的微机械陀螺并不常见，而振动式和微加速度计式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效应。目前，微机械陀螺基本都是振动式的，因此本文将着重对这类陀螺进行介绍。振动式微机械陀螺主要由支撑框架、谐振质量块，以及激励和测量单元几个部分构成。1.2微机械陀螺特点MEMS陀螺仪是利用coriolis定理，将旋转物体的角速度转换成和角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是优点：1.体积小、重量轻、功耗低。2.成本低，加工工艺可保证大规模生产。3.可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的冲击。4.测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千°/s缺点：目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大。1.2微机械陀螺特点MEMS陀螺仪是利用coriolis定理，将旋转物体的角速度转换成和角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是优点：1.体积小、重量轻、功耗低。2.成本低，加工工艺可保证大规模生产。3.可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的冲击。4.测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千°/s缺点：目前，各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大。1.3微机械陀螺分类微机械陀螺分类按振动结构按材料按加工方式旋转振动结构线性振动结构振动盘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音叉结构加速度计振动结构振动平板结构振动梁结构振动音叉结构单晶硅多晶硅石英其它硅材料非硅材料体微机械加工表面微机械加工LIGA(光刻、电铸和注塑)表面工艺制作的微结构体硅工艺制作的微结构1.3微机械陀螺分类微机械陀螺分类按驱动方式按检测方式压电式静电式电磁式压电检测电容检测压阻式检测光学检测隧道效应检测按工作模式速率陀螺速率积分陀螺闭环模式开环模式整角模式压电驱动静电驱动电容检测电磁驱动压阻检测隧道效应检测4、微机械陀螺发展概述微机械陀螺以体积小、成本低、抗过载能力强等优势，可应用于导航、制导、汽车、电子玩具等领域，成为世界各国研究的热点。10-410-2110210410-11101102103104角速度[°/sec]地球转速：4.2×10-3°/sec带宽[Hz]陀螺性能导航设备医疗应用头戴显示设备定点设备平台稳定主动悬浮体汽车安全智能弹药微机械陀螺国内外研究现状国外：如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学，德国DaimlerBenz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。国内：有北京大学、清华大学、复旦大学、哈尔滨工业大学、中科院上海微系统所、中北大学等，都对陀螺进行了深入的研究，取得了一定的成果，但无商业化产品，处于研究阶段。德国Bosch公司谐振方向谐振方向柯氏力方向加速度传感器质量块电流回路加速度传感器键合电流回路加速度传感器折叠弹性梁芬兰赫尔辛基工业大学土耳其安卡拉中东科技大学日本MurataMfg.Co美国Michigan大学单位结构特点检测机理灵敏度/分辨率噪声/漂移美国Michigan大学振动环式电容检测25Hz带宽下分辨率0.5/s7.2/h日本MurataMfg.Co独立梁式电容驱动电容检测25Hz带宽下分辨率0.07/s/土耳其安卡拉中东科技大学电容驱动3mm×3mm电容检测真空24mV/º/s大气100μV/º/s/芬兰赫尔辛基工业大学框架式角振动电容检测信噪比51.6dB德国Bosch公司双质量块电磁驱动电容检测18mV//s量程为100º/s国外微机械陀螺的特点与性能指标151//hHz北京大学、清华大学、复旦大学，中科院上海微系统所单位结构特点检测机理灵敏度噪声/漂移北大谐振式电容检测22mv/°/s清华角振动电容检测1.9mV/°/s/复旦双质量块电容驱动压阻检测电桥输出0.22μV/°/s/中科院双质量块电磁驱动电容检测9.8mV/°/s中北大学谐振式电容检测0.7mV/°/s国内微机械陀螺的特点与性能指标72//hHz67//hHz从国内外发展现状来看，微机械陀螺的特点总结如下：1、机械结构：圆环、独立梁、框架、双质量块2、驱动方式：电容驱动的多3、检测方式：电容检测的多4、使用的材料：都是Si基，灵敏度mV级5、微机械陀螺应用微机械陀螺目前精度在10-2°/h左右，还将进一步提高到10-3°/h。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，有望在一些新的领域中得到应用，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标，甚至是玩具上。智能手机中汽车中空中无线鼠标中数码相机中智能机器人中应用举例应用前景展望在MEMS中还存在着大量具有挑战性的力、磁、电等问题需要研究,对这些问题的有效解决则将会加快推动微机械陀螺仪技术的发展1、应用比重增大2、仍然面临挑战过去几十年内，在汽车工业需求的推动下,微陀螺技术取得了长足进展，随着对传感器小型化、集成化的应用需求，其在应用领域中的比重将会不断增大。