硅微振动陀螺技术综述

1、MEMS陀螺仪研究背景MEMS陀螺仪原理与器件MEMS陀螺仪设计与制造MEMS陀螺仪测试及应用小结及体会MEMS陀螺仪研究历史及发展现状MEMS陀螺仪发展趋势MEMS陀螺仪基本概念 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。 它在运输系统，例如，导航、刹车调节控制盒加速度测量等方面有很多应用。按照制作原理及结构可将其大致分为机械式陀螺仪、光学陀螺仪、微机械陀螺仪三类1。 微机械陀螺仪是高新技术产物，具有体积小、功耗低多种优势，在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前景2 。各种原理的陀螺仪 微 机 械 陀 螺 仪(MEMS gyroscope)主要有转子式、振动式微机械陀螺仪

2、和微机械加速度计陀螺仪三种。转子式的MEMS陀螺较为少见，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，MEMS陀螺仪基本都是振动式的3。体积微小的微机械陀螺 微机械陀螺的研究始于20世纪80年代，经过几十年的研究国外相关已经比较成熟，众多科研单位及公司如美国Draper实验室、ADI公司、Berkeley大学，德国Daimler Benz公司、Bosch公司，日本Toyota公司，以及土耳其、芬兰等国家4-9，已有商业化产品。 我国的MEMS 技术研究工作起步较晚，但正积极开展研究，国家已经投入巨资用于MEMS陀螺技术的研究。目前主要的科研单位有清华、北大、中科院上海微

3、系统所、复旦大学、哈工大等多家单位10-15 ，经过十多年的努力，在基础理论、加工技术和工程应用等方面的研究已取得了明显的进步。但不可否认，与国外差距仍然较大，高性能微机械陀螺少有商业化产品。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Murata Mfg.Co美国Michigan大学单位单位结构特点结构特点检测机理检测机理灵敏度灵敏度/分辨率分辨率噪声噪声/漂移漂移美国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

4、Murata Mfg.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3mm3mm电容检测真空24mV/s大气100V/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100/s国外微机械陀螺的特点与性能指标4-9151 / /hHz*北京大学、清华大学、复旦大学，中科院上海微系统所 研制的的微机械陀螺结构10-15 单位单位结构特点结构特点检测机理检测机理灵敏度灵敏度噪声噪声/漂移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

5、测电桥输出0.22V/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10-15 72 /hHz67 /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 许多市场调查包括SRI，NEXUS，System Planning公司，SEMI等一致认为mems陀螺仪市场将每年以15%25%的年增长率增长。现代工业控制、航空航天、军用技术不可能离开惯性传感器；汽车，消费品和娱乐市场也开始依赖这

6、些设备17。 高精度、低成本、微型化、低功耗、多轴向高稳定性依然是微机械陀螺的技术追求，随着多传感器系统集成技术的发展，兼有陀螺仪功能的智能集成传感器系统将是MEMS陀螺的重要发展方向18。MEMS陀螺仪分类及基本结构MEMS陀螺仪基本原理 微机械陀螺的基本原理是利用柯氏力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。 柯氏加速度是动参系的转动与动点相对动参系运动相互耦合引起的加速度。柯氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量。判断方法按照右手旋进规则进行判断VacyxacV 假如质点以非常快的速度

7、沿转盘径向做简谐振动，利用右手旋进准则可判断出，质点将在转盘上不停地沿垂直于简谐振动方向和转盘角速度两方向垂直的第三方向振动，利用这一原理就可制作出微机械陀螺（右图为电磁驱动共振隧穿效应检测的微机械陀螺结构19）。开环电磁驱动电路原理框图 驱动反馈检测电路原理框图 敏感器件检测电路原理框图 一种电磁驱动压阻检测式的MEMS陀螺仪驱动及检测原理 微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式2。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

8、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) 微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。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)表面工艺结构体硅工艺结构 微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，

9、材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式2。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 微机构陀螺可以从以下几个方面进行划分：振动结构，材料，加工方式，驱动方式，检测方式和工作模式。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技术指标电容式 压电式压阻式隧道效应式光学阻抗高高低高电负载影响非常大大小小小尺寸大小中等小大温度范围非常宽宽中等中等宽线性度误差高中等低高低有无阻尼有

10、无有有无灵敏度高中等中等高很高电路复杂程度高中等低高高成本高高低中高交叉轴敏感度主要取决于机械设计，而非转导作用部分检测方式的MEMS陀螺性能对比20MEMS陀螺仪工艺方法MEMS陀螺仪制造技术难点MEMS陀螺仪设计流程及工具结构设计方法结构设计相关内容作用：进行结果的相互对比、验证与校核ANSYS静态分析静态分析优化设计优化设计模态分析模态分析瞬态分析瞬态分析谐响应分析谐响应分析结构应力结构应力结构参数结构参数哥氏效应哥氏效应振动幅值振动幅值限位位移限位位移振型和频率振型和频率敏感器敏感器件位置件位置路径分析路径分析结构设计灵敏度频率匹配Q值设计初始化尺寸ANSYS优化理论计算优化尺寸灵敏度

11、噪 声检验陀螺动力学模型 0sinxxxm x tc x tk x tFt 2zzzzzzm z tctktmx t02222222222z2111111zzzxxxzzxxBSQQFm灵敏度：结论：当=x=z 时，陀螺的检测灵敏度最高。微机械陀螺动力学方程多次重复 厚膜、深刻蚀、次数少 去除牺牲层，释放结构 其他微加工工艺 部分封装，多种测试 特殊工艺保护结构 测试 淀积 光刻 刻蚀 划片 装架 封装 测试 典型MEMS制造工艺流程常用的MEMS器件加工工艺方法*先在衬底表面生长薄膜，通过对薄膜进行光刻、刻蚀等形成结构。*优点：易于与IC集成。表面工艺常用的MEMS器件加工工艺方法(1) 刻

12、蚀浅槽GlassSi(2) 表面掺杂(3) 金属电极(4) 阳极键合(5) 硅片剪薄(6) 释放结构体硅深刻蚀释放工艺体硅深刻蚀释放工艺体硅工艺具体的常用MEMS器件加工工艺方法： 具体的刻蚀技术主要有光刻、湿法刻蚀、反应离子刻蚀、聚焦离子束刻蚀等一般用来制作MEMS陀螺结构； 主要的加工工艺有分子束外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀等技术用以加速度敏感部件及相应的电极和引线的制作；键合技术用于敏感部件与陀螺结构之间的连接。 划片和封装技术用于微陀螺结构及敏感部件组合体单体分离及外部连接引线制作等，完成微陀螺基本器件制作。 1、包括微机械陀螺应用在内的MEMS，力学参数较宏观情况明显

13、变化，宏观物理定律已经不能完全对 MEMS 的设计、制造工艺、封装以及应用进行解释和指导。这些因素限制妨碍了微机械陀螺性能的提高21。 2、随着MEMS传感器尺寸的缩小，敏感部件也不断缩小，传统检测效应接近灵敏度极限，限制了高性能MEMS陀螺仪的发展，新效应新原理器件亟待开发19。 3、国内方面工艺和技术都相对落后，国外方面技术封锁限制了高性能器件结构的制作；微弱信号检测技术有待提高，信号处理能力仍有待加强19。MEMS陀螺仪数据分析及方法MEMS陀螺仪应用案例MEMS陀螺仪测试内容及手段 与其它陀螺仪一样，完成微机械陀螺仪的陀螺体的制作只是完成了整个MEMS陀螺仪研究工作的一部分。还有陀螺仪

14、信号提取与校准，灵敏度测试、量程测试、线性度测试、固有频率测试、抗过载能力测试等等，各种性能的测试。下面简单就固有频率、灵敏度、分辨率、线性度等陀螺性能的测试及方法进行介绍。固有特性测试固有特性测试 陀螺特性陀螺特性测试测试柯氏效应检测柯氏效应检测固有频率检测方向Q值检验敏感原理测试线性度测试内容三轴转台测试验证检测原理振动台测试原理图固有频率、频响特性、带宽等性能测试微机械陀螺检测原理框图敏感原理验证、灵敏度、分辨率测试等 利用前述方法测得传感器输出波形或数据，取不同输入情况下的离散点，获取批量数据，通过Matlab、OriginLab、Excel等数据处理软件进行数据的处理和曲线的拟合，分

15、析陀螺仪线性度，对原始数据进行滤波、变换等处理，分析陀螺的时频域特性。与利用ANSYS、Matlab等软件仿真所得数据进行对比分析。0246810121416182022102030405060708090100110120130140150160170180190Output voltage (mV)Acceleration (g) B Linear Fit of BEquationy = a + b*xAdj. R-Square0.99046ValueStandard ErrorBIntercept19.072311.92534BSlope7.507890.16469固有特性测试实验原理图

16、测试结果傅里叶变换希尔伯特变换驱动方向幅频特性曲线 一种电磁驱动式MEMS陀螺的固有频率测试方法及数据处理 微机械陀螺体积小、功耗低、成本低、抗过载能力强、动态范围大、可集成化等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，而且总体性能大幅提升，因此在现代军事领域具有广泛的应用前景。 在陀螺仪的传统应用领域，国防军事应用中，高精度微机械陀螺将可用于导弹、航空航天、超音速飞行器等高精度需求的军用产品中22 随着先进的微电子技术的发展，成本和价格也会大幅下降。其低廉的价格将使其在民用消费领域也将具有广阔的应用前景，有望在一些新的领域中，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、

17、计算机鼠标、照相机甚至是机器人玩具等中低端上应用需求的产品中得到应用18。 生产成本、性能和可靠性是微机械陀螺商业化的关键因素。将产品成本降低到大规模汽车市场可接受的水平，需要精密微机械、高度真空封装、高性能接口电路和电子调谐技术。另外，在一个芯片上组合多轴或多种微机械传感器是微机械惯性传感器的重要发展方向。 通过MEMS技术的学习使我了解了更多关于MEMS技术方面的知识，如：微系统设计技术、微细加工技术、微型机械组装和封装技术、微系统的表征和测试技术，以及MEMS技术在生产生活及经济社会发展和国防建设中的应用。主要参考文献：1 http:/ 李新刚, 袁建平. 微机械陀螺的发展现状J.力学进

18、展2003: 33(3), 289-3013 王喆垚. 微系统设计与制造M. 北京: 清华大学出版社.4 Lutz M, et al. A precision yaw rate sensor in silicon micromachining. In: Transducers97, 847-850. 5 Mikko Saukoski, Lasse Aaltonen, Teemu Salo.Kari A.I. Halonen. Interface and control electronics for a bulk micromachined capacitive gyroscope. Sens

19、ors and Actuators A 147 (2008) 183193.6 Adam R. Schofield, Alexander A. Trusov, Andrei M. Shkel. Micromachined gyroscope concept allowing interchangeable operation in both robust and precision modes. Sensors and Actuators A 165 (2011) 35-42.7 Geen J, et al. Single-chip surface micromachined integrat

20、ed gyroscope with 50/h Allan deviation. IEEE JSSC, 2002, 37: 1860-1866.8 Geen J, Krakauer D. New iMEMS angular-rate-sensing gyroscope. Analog Dialogue, 37-03,2003.9 Geen J. Progress in integrated gyroscopes. IEEE A&E Systems magazine, 2004, 11: 12-17.10 余才佳，杨卫民，王小斌. 硅微陀螺在导航、制导与控制领域的应用. 第三届中国导航、制导与控制学术会议.2009.11 http:/ Xinxin Li, Minhang Bao, Heng Yang, Shaoqun Shen, Deren Lu. A micromachined piezoresistive angular rate sensor with a composite beam structure. Sensor and Actuators. 72 (1999): 217-223.主要参考文献：13 王喆垚. 微系统设计与制造M. 北京: 清华大学出版社.14