微机械陀螺仪

微机械陀螺仪微机电系统（MEMS）概念微电子机械系统(Micro．Electro—MechanicalSystems，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技术融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术，在微米量级内设计和制造微传感器、微执行器，并将它们与微电子线路、信号处理单元、微电源、通讯，接口单元等高密度集成于一体，具有一种或几种独立功能的、适于低成本大量生产的微系统。题外话导弹的射击精度由惯导系统(INs)的精度来决定，而惯导系统的精度、成本主要决定于惯性仪表(陀螺仪和加速度计)的精度和成本，尤其是陀螺仪的漂移对惯导系统位置误差增长的影响是时间的三次方函数。但制造高精度陀螺仪不但技术难，而且成本高。因此惯性界一直寻求各种有效方法来提高陀螺仪的精度，降低惯导系统的成本。比较陕西瑞特测控技术有限公司单轴光纤陀螺仪测量范围：±750deg/sec尺寸：Ф70x28mm功耗：6W重量：220g厂家：日本SILICONSENSINGSYSTEMSCRM100高精度单轴陀螺仪尺寸：5.70×4.78×1.18mm功耗：4mw测量范围:±75º/s,±150º/s,±300º/s和±900º/s(最大可以达到1000º/s,用户根据要求自行调配)应用领域：•汽车车载导航•精密车辆和个人导航辅助•车辆的偏航，俯仰和滚转率传感•运动跟踪•精准农业•天线稳定•工业机器人区别陀螺仪特性两个基本特性：一为定轴性（inertiaorrigidity），另一是逆动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。定轴性当陀螺转子以极高速度旋转时，就产生了惯性，这惯性使得陀螺转子的旋转轴保持在空间，指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量，这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。逆动性在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是逆动性。逆动性的大小也有三个影响的因素：外界作用力愈大，其逆动性也愈大；转子的转动惯量（momentofinertia）愈大，逆动性愈小；转子的角速度愈大，逆动性愈小。而逆动方向可根据逆动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。比较所有研究开发的硅微机械陀螺仪都是利用振动质量块在柱物体带动旋转时产生的哥氏效应来测量物体旋转的角速度。硅微机械陀螺仪的结构形式要包括两部分．驱动部分和敏感部分。目前，硅微机械陀螺仪常采用的驱动方式有静电驱动、电磁驱动等，检测方式般为电容检测、电磁检测以及压电检测。哥氏加速度足研究微机械陀螺的基础，当绕驱动轴作高频振动的微机械陀螺敏感角速度时，其检测质量块内各质点的哥氏加速度会对输出轴形成哥氏力或哥氏惯性力矩．这种哥氏惯性力矩即为陀螺力矩。陀螺力矩的方向与哥氏加速度的方向相反，它作用于支承检测质量块的框架上。由于哥氏加速度和陀螺力矩的存在，在理想情况下，微机械陀螺仪的输出信号将正比于敏感轴输入信号，这就是微机械陀螺敏感角速度的基本原理。案例工艺硅微机械振动陀螺仪的材料为硅，硅具有优良的机械性能和极好的电子学方面的特性。目前微机械加工技术的主要技术途径有三种：一是以美国为代表的、以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；二是以德国为代表发展起来的LIGA(LithografieGalvanoformungAbformung)技术；三是以日本为代表发展的精密机械加工技术。其中硅基微加工技术，又包括体硅微制造(BulkMicromaching)、表面微加工(SurfaceMicromaching)。LIGA是德文Lithografle，Galvanofomung，Abformun93个词，即光刻、电铸及进塑的缩写。LIGA技术是种基于x射线光刻技术的三维微结构加工技术，主要包括x光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制3个工艺步骤，与其它立体微加工技术相比．LIGA工艺具有如下特点：(1)能制造大范围MEMS部件如齿轮、马达和线性执行机构等，这些三维立体微结构的高度可选数百至100微米。深宽比大于200，侧壁平行线偏离在亚微米范围内，此外还具有很高的垂直度和重复精度：(2)对微结构的横向形状没柏限制，横向尺寸可小到05微米，加工精度可达0.1微米；(3)用材广泛，小受材料特性和结晶乃向的限制，不仅可以制造砩结构，还可咀制造由稃种金属材料，如镍、铜、金、合金，以及塑料、玻璃、陶瓷等材料制成的微机械；(4)与微电铸、注塑巧妙结合可实现大批量复制生产，成本低。但LIGA工艺对复杂的多级结构还需要手工进行装配，且由于需要同步辐射源，因此成本较高，设备投资大。LIGA技术体硅微制造体硅微加工制造的硅微机械陀螺仪敏感活动质量大、检测电容量大、加工残余应力小，所以大多数硅微机械陀螺仪采用体硅微加工方法。体硅微制造是将整块材料如单晶硅基片加工成微机械结构的生产工艺，主要是利用硅的各向异性腐蚀特性有选择地腐蚀去除单晶硅晶片材料，从而得到所需的微机械结构。目前，硅微机械陀螺仪普遍采用的体硅加工方法有体硅溶解薄片法、深硅刻蚀干法释放工艺。特点：一是采用浓硼扩散自停止技术，结构的纵向尺寸得到较好的保证：一是由于浓硼扩散时的浓度要达到一定浓度才能满足自停止腐蚀的要求．田此对结构厚度有限制：三是采用浓硼扩敝，使得结构层的残余应力比较大，且结构和玻璃之间的间隔比较小。体硅微制造表面微加工表面微机械加丁阻硅片为基体，通过多层膜沉积和图形加工制备三维微机械结构。硅片本身不被加工，器件的结构部分由沉秘的薄膜层加工而成，结构与基体之间的空隙应用牺牲层技术，其作用是支掉结构层，井形成所需要形状的空腔尺寸，在微器件制备的工艺中溶解牺牲层。虽然表面微机槭加T零部件的部件平面化使之和微电子电缆容易集成，但是它同时也限制了表面加工，它制造的机械结构基本上都是二维的，因此机械结构的厚度完全受限于沉积薄膜的厚度。在表面微机械加工工艺中，机械加工层越多可制造的微型机械越复杂，功能越强大，但是微型元件的布局问题、平面化问题和减小残余应力问题也更难解决。表面微加工发展今后微机械陀螺仪的主要研究内容为：①进一步研究微机械振动陀螺仪的结构及电路的优化设计，实现惯性级高性能的要求，其中高灵敏度、低噪声、低漂移和大动态范围的测试电路是提高微机械陀螺仪的关键所在；②研究微机械振动陀螺仪的体加工和表面加工技术；③研究电路的模块设计及加工技术：④完善微机械振动陀螺系统的封装及测试标定。2020/11/24