MEMS陀螺仪发展综述和技术研究

Qs2
(s0
d 0 )(s0
d0 )
2

2 2 d0 s0
d 0
cos(d 0t
tan 1
Qss 0
1


d 0 s0
2
90)
谐振状态下工作模态稳态解
krz crz
M wry
M e _ ny
敏感轴 M cz2 y
y
s M dz M kz M cy2z
体积微小的微机械陀螺
5
陀螺仪的核心技术指标是零偏稳定性和角度随机游走。按照零偏稳定性的大小 以及其它主要性能指标的不同，可将陀螺仪分为三个级别：惯性级、战术级和速率 级。
不同级别陀螺仪的性能指标要求
性能指标 零偏漂移(deg/h) 角度随机游走系数(deg/√h) 标度因数非线性度（%） 满量程范围（deg/s）
按照制作原理及结构可将其 大致分为转子陀螺仪、光学陀 螺仪、振动陀螺仪三类。
振动式陀螺是基于柯氏效应 工作的机械陀螺，可动部件为 谐振子，谐振子的加工工艺主 要有传统工艺和微机械加工工 艺两种方式。
各种原理的陀螺仪
4
基于微机械加工工艺制造 的陀螺仪称为MEMS陀螺仪。 MEMS陀螺仪主要有转子式、 振动式和介质类三种。目前， MEMS陀螺仪的主流是振动式 的，转子式和介质类的MEMS 陀螺较为少见。
软件优化 优化尺寸 检验
结构 设计
灵敏度
频率匹配 Q值设计
理论计算 初始化尺寸
灵敏度 噪声
软件优化 优化尺寸 检验
25
y
内环
zx
锚点
梳齿
z
yx
振动轮
敏感检测电极
工作原理示意图
d
(d 0 )

Qd M e I rz
cos(d 0t)
s (d 0 )
2d 0QdQs M ex I rz
左图为清华大学2004 年提出的数字化测控 电路原理图
16
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。
旋转振动结构
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
振动平板结构 振动梁结构
按振动结构
线性振动结构
正交线振动结构
振动音叉结构 加速度计振动结构
微
机
械
陀
螺
分
6
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
带宽（Hz）
应用范围
惯性级 <0.01 <0.001 <0.001 >400 ~100 飞机、船舶、航 天器等
战术级 0.01~10 0.001~0.5 0.001~0.1
>500 ~100 航向参考系统、制 导导弹等
速率级 10~1000
>0.5 0.1~1 30~1000 >70 移动终端、汽车、 照相机等
MEMS陀螺仪发展综述及技术研究
1
MEMS陀螺仪研究背景 MEMS陀螺仪基本知识
2
1、 MEMS陀螺仪研究背景
MEMS陀螺仪基本概念 MEMS陀螺仪主要性能指标 MEMS陀螺仪应用领域 MEMS陀螺仪国外研究现状 MEMS陀螺仪国内研究现状
3
陀螺仪也称角速率传感器， 是用来测量物体转动角速度或 角位移的传感器。
有无阻尼
有
无
有
有
灵敏度
高
中等
中等
高
电路复杂程度
高
中等
低
高
成本
高
高
低
中
交叉轴敏感度
主要取决于机械设计，而非转导作用
光学
\ 小 大 宽 低 无 很高 高 高
结构设计原则
工艺先行原则
结构最优原则
尺 寸 可 行 性
精 度 可 行 性
温 度 兼 容 性
腐 蚀 兼 容 性
工 艺 兼 容 性
工 艺 重 复 性
满 足 环 保 要 求
压电式
按驱动方式
静电式 电磁式
微 机 械 陀
按检测方式
压电检测 电容检测 压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
全角模式
19
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。
压电式
按驱动方式
静电式 电磁式
微 机 械 陀
z
驱动轴
1
kry1


d

cry
z
2

2

1 Qz2



z
2

动力学模型
结论：当ω =ω =ω 时，陀螺的检测灵敏度最高。 s
(d 0
)
d
(d 0 Qs2
) Q2dIMrzd 0eQcdoQs(sMde0t)x Irz (s0 d 0 )(s0 d 0 ) 2
z2

敏感检测电极
工作原理示意图
krz
1

1


x
2

2

1 Qx2

x
2crz
M wry
M e _ ny
敏感轴 M cz2 y
y
s M dz M kz M cy2z
I ry
M ky
I rz
M dy
M M e _ nz
wrz
淀积
封装 测试 部分封装，多种测试
多次重复
光刻
刻蚀
装架
划片
去
除
牺
牲
层
，
释
测试
放 结
构
特殊工艺保护结构
其他微加工工艺
典型MEMS制造工艺流程
28
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
29
wk.baidu.com
常用的MEMS器件加工工艺方法
ω
V
ac
14
y ω
ac
x
V
假如质点以非常快的速度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）。
15
MEMS陀螺仪驱动及检测原理
s


M e _ nz

M
e
_
ny


M wrz

M
wry


0 2 I ry x
2 I rz 0

x

ds

动力学方程
26
y
内环
zx
锚点
梳齿
灵y 敏z x度：
Sz
Bz 振动轮
2 F0
mx


2 x
（a）振动轮式结构
（b）双质量块陀螺结构
北京大学研制的微机械陀螺仪
11
（a）振动轮式结构
（b）双解耦Z 轴体硅陀螺结构
东南大学研制的微机械陀螺仪
（a）振动轮式结构
（b）线振动解耦陀螺结构
清华大学研制的微机械陀螺仪 12
2、 MEMS陀螺仪基本知识
MEMS陀螺仪基本原理 MEMS陀螺仪分类及基本结构 MEMS陀螺仪设计流程及工具 MEMS陀螺仪工艺方法 MEMS陀螺仪制造技术难点
I ry
M ky
M M e _ nz
wrz
z
驱动轴
I rz
M dy
d
kry
cry
动力学模型
I rz

0
0 I ry

ds


crz crzry
cryrz cry

ds


krz krzry
kryrz d
kry

振动平板结构 振动梁结构
按振动结构
线性振动结构
正交线振动结构
振动音叉结构 加速度计振动结构
微
机
械
陀
螺
硅材料
分
按材料
类
表面工艺结非构硅材料
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
单晶硅 多晶硅
石英 其它
体硅工艺结构
体微机械加工
按加工方式
表面微机械加工
18
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。
Si
(1) 刻蚀浅槽
(4) 阳极键合
(2) 表面掺杂
(5) 硅片剪薄
Glass
(3) 金属电极
(6) 释放结构
体硅深刻蚀释放工艺
体硅工艺
30
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。
7
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、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。
8
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，挪威的Sensornor，日本Toyota公司，以及 土耳其、芬兰等国家，已有商业化产品。其中Boeing 公司的8mm 直径DRG 的 最好性能为零偏重复性0.01º/h、角度随机游走0.002º/rt-hr。Sensornor公司也 发布了零偏稳定性0.05º/h 的产品。国外研究的目标是研制零偏稳定性优于 0.01º/h的惯性级微机电陀螺，逐步取代激光陀螺和光纤陀螺等传统产品。
按材料
类
硅材料 非硅材料
非正交线振动结构
单晶硅 多晶硅 石英 其它
振动平板结构 振动梁结构 振动音叉结构
体微机械加工
按加工方式
表面微机械加工
LIGA(光刻、电铸和注塑)
17
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。
旋转振动结构
振动盘结构陀螺 旋转盘结构陀螺
Qss 0
1


d 0 s0
2
90)

M e _ nz

M
e
_
ny


M wrz

M
wry


0 2 I ry x
2 I rz 0

x

ds

动力学方程
谐振状态下工作模态稳态解
27
厚膜、深刻蚀、次数少
13
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
产品。
(a) 框架式
(b) 音叉式
Draper 实验室的微机电陀螺结构
9
Bosch 公司研制的轮式微陀螺结构
Michigan大学研制的环式微陀螺结构
（a）双质量音叉式 （b）四质量摆式结构 （c）盘式谐振结构
加州大学Irvine 分校研制的微机电陀螺结构
10
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、 东南大学、国防科大、哈工大等多家单位，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。
结构设计相关内容 22
结构参数
优化设计
静态分析
结构应力
哥氏效应
瞬态分析
有限元软件
路径分析
敏感器 件位置
振动幅值 限位位移
谐响应分析
常用的有限元软件：ANSYS、COMSOL
模态分析
振型和频率
23
3.1 MEMS陀螺仪设计流程及工具
结构 设计
灵敏度
频率匹配 Q值设计
理论计算 初始化尺寸
灵敏度 噪声
按检测方式
压电检测 电容检测 压阻式检测
螺
光学检测
分
隧道效应检测
类 闭环模式
速率陀螺
按工作模式
开环模式
速率积分陀螺
全角模式
20
部分检测方式的MEMS陀螺性能对比
技术指标 电容式 压电式 压阻式 隧道效应式
阻抗
高
高
低
高
电负载影响 非常大
大
小
小
尺寸
大
小
中等
小
温度范围
非常宽
宽
中等
中等
线性度误差
高
中等
低
高
原形尺 理状寸 最最最 优优优 化化化
结构设计
结构 设计
理论 分析
仿真 分析
结构设计方法 作用：进行结果的相互对比、验证与校核
振动模态刚度设计 振动模态频率设计 振动模态阻尼设计 振动模态Q值设计 驱动模态特性设计 检测模态特性设计
驱动刚度设计 检测刚度设计 驱动频率设计 检测频率设计 驱动方向阻尼设计 检测方向阻尼设计 驱动模态Q值设计 检测模态Q值设计 驱动力设计 驱动位移设计 检测位移设计 检测应力设计 结构灵敏度设计

2 2 d0 s0
x
z
I rz

0
0 I ry

ds


crz crzry
cryrz cry

ds


krz krzry
kryrz d
kry

s

d 0
cos(d 0t
tan 1