微细加工与纳米技术课程项目方案设计

《微细加工与纳米技术》课程项目方

案设计

目录

一、微机械陀螺仪研究背景 (3)

（一）概念简介 (3)

（二）MEMS陀螺仪研究历史及发展现状 (3)

（三）研究目的 (4)

（四）研究方法 (5)

（五）研究意义 (8)

二、微机械陀螺仪原理与结构 (10)

（一）MEMS陀螺仪基本原理 (10)

（二）MEMS陀螺仪分类及结构 (12)

三、微机械陀螺仪设计及制造 (13)

(一) MEMS陀螺仪设计流程 (13)

（二）MEMS陀螺仪工艺方法 (14)

（三）MEMS陀螺仪技术难点 (16)

四、微机械陀螺仪测试及应用 (16)

（一）MEMS陀螺仪测试内容及手段 (16)

（二）MEMS陀螺仪数据分析及方法 (17)

（三）MEMS陀螺仪应用案例 (17)

1、一些微机械陀螺仪的典型应用 (20)

2、微机械陀螺仪在新型鼠标或遥控器中的应用 (20)

五、关于微机械陀螺仪发展的思考 (21)

六、小结与体会 (21)

一、微机械陀螺仪研究背景

（一）概念简介

微陀螺仪是属于微机械的一种。微机械MEMS是英文Micro Electro

Mechanical systems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世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、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。

微机械陀螺仪的主要参数

微机械陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution）、零角速度输出、灵敏度（Sensitivity）和测量范围，这些参数是评判微机械陀螺仪性能的重要标志，同时也决定了该陀螺仪的应用环境。分辨率是指陀螺仪能够检测的最小的角速度，该参数和零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定，白噪声一般用°/s/√Hz来表征，LY530AL的白噪声只有：0.1°/s/√Hz。这三个参数着重说明该陀螺的内部性能和其抗干扰能力，而对使用者而言，灵敏度更有实际的意义，其单位是mV/°/s，由此用户可选用适合的ADC来与之匹配。测量范围是指陀螺仪能够测量的最大的角速度，单位是°/s，不同的应用对陀螺仪的测量范围有不同的要求。

（二）MEMS陀螺仪研究历史及发展现状

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。

（三）研究目的

微机械MEMS这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。

微机械的尺寸一般都是在厘米级别的，有的甚至已经到了毫米级别。由此可见，微机械的加工以及制造时十分困难的。

如今，完全封装过后的微陀螺仪的最小尺寸已经到了1.5mm左右，甚至更小。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。

在这样微细加工过程之中，由于涉及到的尺寸实在是太小了。所以，微机械的加工过程之中，生产人员的技术基本上可以忽略不计。但是，在另一方面，为机械的加工对于生产车间的科技程度、清洁度等等要求就十分之高。微机械的加工最主要的还是要依靠电脑控制的高科技机械来完成，人的作用不过是维护机

械，或者是检查进度，发现问题。

所以，微陀螺仪的设计与制造过程以及加工工艺的编排，在整个生产过程之中都是重中之重。

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，那么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。

如果是制造过程出现了问题，那么多半是机械质量不达标，或者是机械所处的环境标准不够。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。

不管是哪一种出现了问题，对于整个生产过程都是一种严重的损失，将会消耗大量的精力去排查检验，中间还会造成大量的财产损失。

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。

（四）研究办法

由于微陀螺仪的加工，远远不同于传统机械加工，所以，微陀螺仪的生产设计与制造过程以及加工工艺的编排都与其余的机械生产大大不同。

重中之重就是微陀螺仪的设计。

传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。

但是微机械陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。微机械陀螺仪利用科里奥利力（也叫哥氏力）——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。

微陀螺仪的原理：