微陀螺仪的设计与制造过程

实用文档学校：华中科技大学专业：机械设计制造及其自动化姓名：潘登班级：1104班学号：U201110689指导老师：廖广兰来五星标准实用文档中文摘要随着科学技术的发展以及科研技术的逐渐成熟。陀螺仪也逐渐进入了各个领类，诸如哥氏加速度效应微振动陀螺、流体陀螺、固体微陀螺、悬浮转子式微陀螺、微集成光学式陀螺以及原子陀螺。而其中随着MEMS技术的不断发展，以其为基础的微陀螺因尺寸小、精度高、重量轻、易于数字化、智能化而越来越受到未来高科技战场上拥有广阔的发展和市场前景。构进行了简单的分析并且分析了微机械陀螺仪的设计及制造过程和工艺方法并对其中的技术难点进行了分析，也对加工陀螺仪必须的MEMS工艺进行了概述，然后对微陀螺仪的前景及应用进行了进一步的探讨。关键词：微机械陀螺仪，MEMS工艺，制作过程，关键技术标准实用文档AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnologyaswellasscientificresearchandtechnologymatures.Gyroscopeisgraduallycomingintothefields.Nowgyroscopehasbroadapplicationinmarinenavigation,aerospace,researchdynamics,weapons,cars,bio-medicine,environmentalmonitoring,etc.Andalsobecauseofthevariousgyroscopedifferentprinciplesandhavedifferentclassifications,suchastheCoriolisaccelerationeffectofmicro-vibrationgyro,gyrofluid,solidmicro-gyroscope,suspendedgyroscoperotormicro,micro-gyroscopeintegratedopticalandatomicgyroscope.WiththecontinuousdevelopmentofwhichMEMStechnology,withitsmicro-gyroscope-basedduetothesmallsize,highprecision,lightweight,easy-to-digital,intelligentandincreasinglybeingfavored.Ithasabroaddevelopmentandmarketprospectsinthecarnavigation,consumerelectronicsandmobileapplicationsandothercivilianareasaswellasmodernandhigh-techbattlefieldfortheforeseeablefuture.Thearticlefirstgyroscopedoasimpleprincipleandfunctiondescription,describesthecurrentmicro-gyroscopeisaverypromisinglineofresearch,andabriefintroductiontosomecommonmicro-gyroscope,thenthestructureofthemicro-gyroscopesimpleanalysisandanalysisofthemicromachinedgyroscopedesignandmanufacturingprocessandprocessmethodsandtechnicaldifficultieswhichwereanalyzed,butalsoontheprocessingofMEMSgyroscopemustbeanoverviewoftheprocess,thentheprospectsforandapplicationofmicro-gyroscopeswerefurtherdiscussion.Keywords：Micromechanicalgyroscopes,MEMStechnology,productionprocess,keytechnologies标准实用文档目录1微机械陀螺仪研究背景…………………11.1概念简介………11.2MEMS陀螺仪研究历史及发展现状……………11.3研究目的………11.4研究方法………22微机械陀螺仪原理与结构………………52.1MEMS陀螺仪基本原理…………52.2MEMS陀螺仪分类及结构………63微机械陀螺仪设计及制造………………63.1MEMS陀螺仪设计流程…………63.2MEMS陀螺仪工艺方法…………73.3MEMS陀螺仪技术难点…………84微机械陀螺仪测试及应用……………84.1MEMS陀螺仪测试内容及手段…………………84.2MEMS陀螺仪应用………………105关于微机械陀螺仪发展的思考………116小结与体会……………11参考文献……………………12标准实用文档11.1概念简介微陀螺仪是属于微机械的一种。微机械MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。微机械陀螺仪属于一种振动式角速率传感器，用于测量旋转速度或旋转角，作为重要的惯性器件，具有质量轻、体积小、成本低、可靠性好、稳定性高、功耗低、精度高、性能优等诸多优点，在工业控制、航空航天、汽车和消费类电子产品等领域中得到广泛的应用。1.2MEMS陀螺仪研究历史及发展现状德国Daimler国家，已有商业化产品。[4-9]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、中科院上海微系统所、复旦大学、哈工大等多家单位，经过十多年的努力，在[10-15]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。1.3研究目的可见，微机械的加工以及制造时十分困难的。1.5mm小。那么，要加工如此细微的零件，对于机械装备、机械技术以及加工人员的考验是非常大的。而且，不像是传统普通零件加工，可以出现一点点的误标准实用文档差。对于如此之小的微型机械，一旦加工之中出现了一些错误，即使是偏离一微米，对于微陀螺仪来说，都是极大的错误。之中都是重中之重。一旦，微陀螺仪的设计与制造过程以及加工工艺的编排出现问题，不管是哪个环节出现了问题，也不管是这个环节多么细微，整个生产情况都会出现严重的问题。如果是设计环节出现了问题，整个生产都要被打断，然后重新设计微陀螺仪，重新布置加工过程，重新编排加工工艺。处的环境标准不够。同样的，只有购置新的加工机械，或者重新处理加工车间的问题。如果是加工工艺出现了问题，那么就需要重新编排加工工艺。所以，对于微陀螺仪的研究目的，就是减少生产损失，增加生产成功率，减少生产废品率，保证投资得到良好的回报。1.4研究办法向力。微陀螺仪的原理：图标准实用文档微机械陀螺仪利用了哥氏力现象，其原理如图1所示。当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时，并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动，就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力，其矢量可按下式（1.1）计算。（1.1）式中：F(t)是哥氏力，m是该物体的质量，ΩZ是坐标系旋转的角速度，是该物体的矢量速度。测算的零件材料和方法是不同的。度。最主要的是，微陀螺仪要有足够的耐用度，没有足够的耐用度，微陀螺仪必须要有足够的耐用度。所以，微陀螺仪的研究方法，基本上可以概括为做实验。材料，保证微陀螺仪的质量不断上升。完成了设计之后，微陀螺仪就进入了加工工艺编排过程。事了。微机械加工的时候，对于车间的温度、气压、空气的清洁度、加工人员的造成极大的损失，以后处理起来也会十分困难。标准实用文档电磁驱动，电容检测；③电磁驱动，压阻检测；④压电驱动，电容检测。其中利刚线振动来产生陀螺效应：②双框架结构，它利用角振动来产生陀螺效应。械陀螺仪的灵敏度优于双框架角振动微机械陀螺仪。括很多方面：卖不出去，那到时候就亏大了磨损什么的也就很少。生产工艺复杂的微陀螺仪，成功率也就会相应的减少，产生的利润也就减少，得不偿失。度低的微陀螺仪，在有的范围就不能够被应用。微陀螺仪的生产，要考虑到成本，加工的难易程度，灵敏程度。如果是运成本了。标准实用文档22.1MEMS陀螺仪基本原理正比，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旋进规则进行判断。yx简谐振动柯氏加速度图图应检测的微机械陀螺结构[19]一种电磁驱动压阻检测式的MEMS陀螺仪驱动及检测原理/图反馈信号放大电路高通滤波低通滤波图标准实用文档放大滤波电路驱动信号跟随电路移相电路输出信号图2.2MEMS陀螺仪分类及结构MEMS陀螺分类方式有多种。按振动形式分:线振动形式和角振动(旋转振动)形式。按使用材料分:硅(单晶和多晶)材料陀螺和非硅材料陀螺。按驱动方式分:静电式(平板电容和梳指电容)、电磁式和压电式等。按检测方式分:电容检测、压阻检测、压电检测、光学检测、隧道效应检测和频率检测等。按工作模式分:速率陀螺以及速率积分陀螺。按加工方式分:体框架式、梳状音叉式、振动轮式、振动环式、振动平板式、双线振动式和声表面波式等。33.1MEMS陀螺仪设计流程满足环保要求尺精温腐工工寸度度蚀艺艺可可兼兼兼重行行容容容复性性性性性性原形尺理状寸最最最优优优化化化图标准实用文档图理论分析仿真分析图作用：进行结果的相互对比、验证与校核3.2MEMS陀螺仪工艺方法常用的MEMS器件加工工艺方法：1、表面工艺*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。标准实用文档具体的常用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、敏感部件与陀螺结构之间的连接。3.3MEMS陀螺仪技术难点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变化，宏观物理定律已经不能完全对MEMS和指导。这些因素限制妨碍了微机械陀螺性能的提高。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。44.1MEMS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度测试、固有频率测试、抗过载能力测试等等，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。固有频率固有特性测试检测方向Q值测试内容检测敏感原理陀螺特性测试柯氏效应检测测试线性度标准实用文档4.2MEMS陀螺仪应用微机械陀螺体积小、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。导弹、航空航天、超音速飞行器等高精度需求的军用产品中。车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、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图标准实用文档5,重点是发展精确制导武器,实现中远程精确打击和非接触作战;和信息作战体系,加强局部作战区域的制空、制海和制电磁权的作战能力。惯性技术在实施精确打击中的特殊地位,导弹武器精确制导对惯性技术的要求,导，也是一个重要的发展空间。故而微机械陀螺仪的研究更是重中之重。6通过MEMS技术的学习使我们了解了更多关于MEMS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。标准实用文档［1］电子测量与仪器学报，2011，25(8):704－710．［2］传感器与微系统，2008，27(5):24－26．［3］LAIACMOS－MEMSsingle－chipdual－axisgyroscope［C］．IEEEInternationalMicrosystemsPackingAssemblyandCircuitsTechnologyConference，2009:305－307．［4］高技术通讯，2006，16(10):1034－1038．［5］吴其松，杨海钢，张翀，等．一种适用于MEMS陀螺仪的高性能电容读出电路［J］．仪器仪表学报，2010，31(4):937－943．5):97－100．［7］中国机械工程，2006，17(16):1679－1682．［8］张明，陈德勇，王军波．程，2010，18(11):2454－2460．［9］纳米技术与精密工程，2011，9(3):265－269．［10］SAIDEA，KIVANCA，TAYFUNA．Ahigh－performancesilicon－on－insulatorMEMSgyroscopeoperatingatatmosphericpressure［J］．SensorsandActuators，2007，135(2):34－42．［11］李建利，房建成，盛蔚等．双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪的理论计算及仿真［J］．光学精密工程，2008，16(3):484－491．［12］ALPERSASingle－crystalsiliconsymmetricalanddecoupledMEMSgyroscopeonaninsulatingsubstrate［J］．JournalofMicroelectromechanicalSystems，2005，14(4):707－717．标准实用文档［13］殷勇，王寿荣，王存超，等．结构解耦的双质量硅微陀螺仪结构方案设计与仿真［J］．东南大学学报:自然科学版，2008，38(5):918－922．［14］殷勇，王寿荣，王存超等．中国惯性技术学报，2008，16(6):703－711．［15］温姣，常艳辉，梁永生．一种新型微机械陀螺仪结构方案设计与仿真［J］．计算机光盘软件与应用，2010(8):104．［16］何晓磊，苏岩．采用DDSOG工艺加工Z东南大学学报:自然科学版，2005，35(4):545－548．［17］施芹，苏岩，裘安萍，等．MEMS光学精密工程，2009，17(8):1987－1992．［18］SUNHongzhi，JIAYingtao，etal．AmonolithicinertialmeasurementunitfabricatedwithimprovedDRIEpost－CMOSprocess［C］．Proceeding