MEMS微陀螺仪研究进展_成宇翔
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
收稿日期 :2010-10-18 基金项目 :上海交通大学 SM C 优秀青年学者计划 (T 241460622);上海人才发展基金 (047) 通信作者 :张卫平 , E-mai l :z wp37 @163 .com
2011年 5月 微纳电子技术第48卷第5期 27 7
Research Development of MEMS Micro-Gyroscopes
Cheng Yuxiang , Zhang Weiping , Chen Weny uan , Cui F eng , Liu Wu , Wu Xiaosheng
(N ational K ey L aboratory o f Nano/ Micro Fabrication T echnology , Research Institute of Micro/ N ano Science and Technology , S hanghai J iaoTong University , S hanghai 200240 , China)
成宇翔等 :M EM S 微陀螺仪研究进展
0 引 言
的与谐振或声学相关的微结构 、 惯性敏感机构与晶 体管电路集成的技术 。
随着 M EMS 技术的发展 , 惯性微陀螺仪以其
尺寸小 、 精度高等特点 , 越来越受到人们的关注 。 1 M EM S 微陀螺的主要参数指标
在汽车导航 、 消费电子和移动应用等民用领域 , 航 空航天以及现代和可预见的未来高科技战场上拥有 广阔的发展和市场 前景 。 根据 微陀螺仪的原 理不 同 , 可以将其分为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 。微振动陀螺仪是最早使 用的微陀螺仪 , 也是目前市场上使用最多且相对较 成熟的陀螺仪 。 但是由于原理本身的局限性和工艺 加工水平的限制 , 传统的振动式陀螺在性能上尚未 取得根本的突破 , 其零漂多数在每小时几百到几十 度 , 极少数为战 术级 , 最 高接近于 1°/ h , 实现 高 精度达到惯性级相当困难 。美国国防部高级研究计 划 局 (DA RPA ) 的 “ 导 航 级 集 成 微 陀 螺 (NGIM G)” 项目建议的实现途径为 :漂浮或悬浮 微结构 、 用于惯性传感的原子机理 、 微光学技术 、 微流体方法 、 通过从未探明的原理来敏感惯性输入
世界上已经研发出来的微陀螺仪还没有可以达 到惯性级的表现 。 大多数商业应用也只是局限在提 高速率级 MEM S 微陀螺的指标 。 极少数的几个组 织 , 如美国的 Drape r 实验室和 JP L 实验室等 , 研 究成功了真正达到战术级的陀螺仪 。 不同级别陀螺 的性能指标如表 1[ 1] 所示 。
22 mm , 音叉敏感叉指的响应速度为 36 m m/ s 。
图 2 G alf enol 音叉陀螺仪原理机及整机 Fig.2 G al fenol tu ning-fork gyroscope princi ple
and ent it y
图 1 Draper 提出的振动式微陀螺仪 Fi g.1 Vi bratin g gyroscopes by D raper
Abstract :T he research prog ress of MEM S micro-gy ro sco pes are review ed .T he m arket appli cations of M EMS micro-gy roscopes are i nt roduced briefly .M icro gy ro sco pes play a sig nificant role i n the M EMS devices .F ro m aviation fields , it s applica tion has gradually shif t ed t o t he lo w-end marke t , such as autom obile and co nsume r elect ronics , w hich m eans t hat inst ead of the high precision and st abilit y , com mercializatio n i s anot her dev elo pment direction .A s the limit atio n o f the principle and t he f abricatio n technology , the t raditio nal vibrati ng gy roscopes can hardly reach the tactical g rade and the inertial g rade .T he NGIMG prog ram , suppor ted by DA RPA , suggest s t o use ot he r met ho ds t o reduce f lexible component s , decrease the processing dif ficul ty and improve the precisio n and anti jam ming capability .In the recent years , endless varieties o f designs are proposed .T he micro levit ated ro tat ional gy roscope is the m ost preci se gy ro scope in the w o rld no w , and t he MEOMS gy roscope also has a great research pot ential and developm ent in the fut ure . Key words :micro-electrom echanical sy st ems (M EM S);iner tial sensor ;micro-gy roscope ;zero bias drif t ;angle rando m w alk ;micro levit ated ro tatio nal gy roscope DOI :10 .3969/ j .i ssn .1671-4776 .2011 .05 .001 EEACC:2575
0.1°/
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
h,
其中观测 到的 最佳数 据为 0.05°/
[ 4]
h
。
该微陀螺已被 H o neyw ell 公司用于生产导航系统 。 2005 年 , J.H.Y oo 等人[ 5] 报道了一种基于铁镓合
金 (Galf enol) 磁致 伸缩 材料 的振 动音 叉 式陀 螺
仪 , 如图 2 所示 , 整个 尺寸为 12 mm ×3 mm ×
278 Micronanoelectronic T echnology V ol .48 No .5
May 2011
成宇翔等 :M EM S 微陀螺 仪研究进展
Draper 实验室又成功研制出第一台音叉式线振动陀
螺仪 (TFG)[ 3] , 如图 1 (b)所示 , 它采用单晶硅
梳状结构产生静电力驱动音叉 , 该陀螺已经可以达
到战术级的要求 。美国 No rthrop 公司也于 1994 年
研制了一种结构类似的音叉式微陀螺 , 已达到的性
能如 下 :零偏 稳 定 性和 标 度因 数 稳 定性 分 别 为
10°/ h 和 200 ×10-6 , 角 随 机 游 走 度 的 典 型 值 为
约 100 10 000 ～ 50 000 商业 姿态 航向 参考 系统 (A H RS)、制导弹药等
<0 .01 <0 .001 <0 .001
>400
103 约 100 >100 000 商用/军用飞机 、 船舶、航天器等
2 各类 M EM S 微陀螺简介
MEM S 微陀螺从作用原理上来说主要 可以分 为四类 :哥氏加速度效应微振动陀螺 、 悬浮转子式 微陀螺 、 微集成光学式陀螺和微原子陀螺 。 2.1 微振动陀螺
MEMS 微陀螺仪研究进展
成宇翔 , 张卫平 , 陈文元 , 崔 峰 , 刘 武 , 吴校生
(上海交通大学 微纳科学技术研究院 微米/ 纳米加工技术国家级重点实验室 , 上海 200240)
摘要 :回顾了 MEM S 微陀螺仪的研究进展 , 简单介绍了 M EMS 微陀螺仪的市场应用 。 微陀螺仪 是 MEM S 器件中非常重要的一类器件 。它的运用已经从单纯的航空领域逐渐转向汽车 、 消费电 子行业等低端市场 , 这意味着微陀螺仪除了传统意义上的高精度高稳定性的要求 , 也可以向低精 度商品化发展 。 传统的振动式陀螺 , 由于原理的局限性和加工技术的限制 , 很难达到战术级和惯 性级的要求 。导航级集成微陀螺 (NGIM G)项目建议使用其他途径 , 以减少器件的可移动部件 和降低工艺难度 , 从而提高其精度和抗干扰能力 。各种设计方法近年来层出不穷 , 其中悬浮转子 式微陀螺是目前精度最高的陀螺仪 , 微集成光学式陀螺也将在未来一段时间拥有巨大的研究潜力 和发展空间 。 关键词 :微电子机械系统 (M EMS);惯性传感器 ;微陀螺仪 ;零偏漂移 ;角随机游走 ;悬浮转 子式微陀螺 中图分类号 :T H 703 文献标识码 :A 文章编号 :1671-4776 (2011)05-0277-09
带宽/ H z 成本/ ＄
应用范围
10 ～ 1 000 >0 .5 0 .1 ～ 1
50 ～ 1 000
103 >70 50 ～ 10 000 照相机 、医学仪器 、 游戏 、汽车等
0 .1 ～ 10 0 .5 ～ 0 .05 0 .01 ～ 0 .1
>500 103 ～ 104
零偏漂移 、 角随机游走是确定微陀螺性能的主 要指标 。当陀螺处于零输入状态时 , 陀螺的输出信 号是一个随机函数 , 为白噪声和一个慢变随机函数 的叠加 。设备的稳定性由系统白噪声所决定 , 而其 慢变随机函数可用来确定零漂或零偏稳定性指标 。
速率级和战术级的陀螺只能用于测量相对短时 间内的角速度 , 其角随机游走成为了限制其发展的 主要因素 。 而惯性级陀螺可以用于测量系统长期的 表现 , 零漂就成了这种陀螺的关键指标 。
振动陀螺主要利用哥氏力的作用原理 , 把输入 角速度量转换为一种位移 , 然后通过电容或压电等
方式将其检测出来 。此类微陀螺根据结构或者输入 原理不同 , 可以分为框架式 、 音叉式和振动环式等 。
框架式振动微陀螺是最早的非转子式微机械陀 螺 , 由美国 Draper 实验室最先提出[ 2] , 如图 1 (a) 所示 。 它采用内 、 外环框架结构 , 理想条件下 , 外 框架的驱动频率等于内框架的谐振频率 。 在真空环 境下 , 该陀螺的品质因数可达 2 000 , 预期漂移不 定性优于 10°/ h , 适用于短时间导航 。 1993 年 5 月
由于在实际过程中出现了不必要的交叉耦合信 号 , 之后一些研究集中在提高抵抗交叉耦合的鲁棒 性上 。 美国的密西根大学设计了一种基于振动环结 构的微陀螺[ 6] , 如图 3 (a) 所示 , 其 拥有同样共 振频率下的两种典型振动模态 , 避免了不必要的多 轴耦合 , 偏移稳定性能达到 10°/ s 。 德国的微系统 与信息技术研究所 (H SG-IMIT )基于解耦原理研 究成功解 耦角速 度检 测器[ 7] , 如图 3 (b)所 示 , 这种微陀螺的偏移稳定性达到 65°/ h 。 2005 年 , 加 州大学欧文分校设计了一个新颖的结构[ 8] :给质量 块提供了两自由度的振动电容 , 并且把驱动和检测 电极的自由度都限制在一个自由度 , 提高了系统的 解耦程度 , 如图 3 (c)所 示 。 该设计 提高了陀螺 的鲁棒性 , 却牺牲了系统的灵敏度 。2006 年 , 土 耳其的中东技术大学开发了一种具有相同驱动和检 测机构的对 称设计 悬臂 梁[ 9] , 如 图 3 (d)所 示 。 这种陀螺的偏移稳定性能达到 7°/ s 。 Invensense 公 司生产的 IDG -600 是一个双轴的微振动陀螺仪 , 采用了新型的纳西里 (N asiri) 封装技术 , 现在已 经批量生产 , 用于运动姿势传感 。但是由于科氏力 很弱 , 机械布朗噪声和 电白噪声限制 了器件的精 度 , 传统的振动式陀螺在性能上尚未取得根本的突 破 :其零漂多数在每小时几百到几十度 , 极少数为 战术级 , 虽有接近于 1°/ h 的报道 , 但实现高精度 达到惯性级相当困难 。
表 1 不同级别陀螺的性能指标
T able 1 P erfo rmance requirements of g y roscopes w ith different cla sses
性能指标
速率级
战术级
惯性级
零漂/(°· h -1) 随机游走/(°· h -12 )
标度因子/ % 最大输入角速度/(°· s -1) 1 ms 内承受最大冲击/(g · s)
2011年 5月 微纳电子技术第48卷第5期 27 7
Research Development of MEMS Micro-Gyroscopes
Cheng Yuxiang , Zhang Weiping , Chen Weny uan , Cui F eng , Liu Wu , Wu Xiaosheng
(N ational K ey L aboratory o f Nano/ Micro Fabrication T echnology , Research Institute of Micro/ N ano Science and Technology , S hanghai J iaoTong University , S hanghai 200240 , China)
成宇翔等 :M EM S 微陀螺仪研究进展
0 引 言
的与谐振或声学相关的微结构 、 惯性敏感机构与晶 体管电路集成的技术 。
随着 M EMS 技术的发展 , 惯性微陀螺仪以其
尺寸小 、 精度高等特点 , 越来越受到人们的关注 。 1 M EM S 微陀螺的主要参数指标
在汽车导航 、 消费电子和移动应用等民用领域 , 航 空航天以及现代和可预见的未来高科技战场上拥有 广阔的发展和市场 前景 。 根据 微陀螺仪的原 理不 同 , 可以将其分为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 。微振动陀螺仪是最早使 用的微陀螺仪 , 也是目前市场上使用最多且相对较 成熟的陀螺仪 。 但是由于原理本身的局限性和工艺 加工水平的限制 , 传统的振动式陀螺在性能上尚未 取得根本的突破 , 其零漂多数在每小时几百到几十 度 , 极少数为战 术级 , 最 高接近于 1°/ h , 实现 高 精度达到惯性级相当困难 。美国国防部高级研究计 划 局 (DA RPA ) 的 “ 导 航 级 集 成 微 陀 螺 (NGIM G)” 项目建议的实现途径为 :漂浮或悬浮 微结构 、 用于惯性传感的原子机理 、 微光学技术 、 微流体方法 、 通过从未探明的原理来敏感惯性输入
世界上已经研发出来的微陀螺仪还没有可以达 到惯性级的表现 。 大多数商业应用也只是局限在提 高速率级 MEM S 微陀螺的指标 。 极少数的几个组 织 , 如美国的 Drape r 实验室和 JP L 实验室等 , 研 究成功了真正达到战术级的陀螺仪 。 不同级别陀螺 的性能指标如表 1[ 1] 所示 。
22 mm , 音叉敏感叉指的响应速度为 36 m m/ s 。
图 2 G alf enol 音叉陀螺仪原理机及整机 Fig.2 G al fenol tu ning-fork gyroscope princi ple
and ent it y
图 1 Draper 提出的振动式微陀螺仪 Fi g.1 Vi bratin g gyroscopes by D raper
Abstract :T he research prog ress of MEM S micro-gy ro sco pes are review ed .T he m arket appli cations of M EMS micro-gy roscopes are i nt roduced briefly .M icro gy ro sco pes play a sig nificant role i n the M EMS devices .F ro m aviation fields , it s applica tion has gradually shif t ed t o t he lo w-end marke t , such as autom obile and co nsume r elect ronics , w hich m eans t hat inst ead of the high precision and st abilit y , com mercializatio n i s anot her dev elo pment direction .A s the limit atio n o f the principle and t he f abricatio n technology , the t raditio nal vibrati ng gy roscopes can hardly reach the tactical g rade and the inertial g rade .T he NGIMG prog ram , suppor ted by DA RPA , suggest s t o use ot he r met ho ds t o reduce f lexible component s , decrease the processing dif ficul ty and improve the precisio n and anti jam ming capability .In the recent years , endless varieties o f designs are proposed .T he micro levit ated ro tat ional gy roscope is the m ost preci se gy ro scope in the w o rld no w , and t he MEOMS gy roscope also has a great research pot ential and developm ent in the fut ure . Key words :micro-electrom echanical sy st ems (M EM S);iner tial sensor ;micro-gy roscope ;zero bias drif t ;angle rando m w alk ;micro levit ated ro tatio nal gy roscope DOI :10 .3969/ j .i ssn .1671-4776 .2011 .05 .001 EEACC:2575
0.1°/
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
h,
其中观测 到的 最佳数 据为 0.05°/
[ 4]
h
。
该微陀螺已被 H o neyw ell 公司用于生产导航系统 。 2005 年 , J.H.Y oo 等人[ 5] 报道了一种基于铁镓合
金 (Galf enol) 磁致 伸缩 材料 的振 动音 叉 式陀 螺
仪 , 如图 2 所示 , 整个 尺寸为 12 mm ×3 mm ×
278 Micronanoelectronic T echnology V ol .48 No .5
May 2011
成宇翔等 :M EM S 微陀螺 仪研究进展
Draper 实验室又成功研制出第一台音叉式线振动陀
螺仪 (TFG)[ 3] , 如图 1 (b)所示 , 它采用单晶硅
梳状结构产生静电力驱动音叉 , 该陀螺已经可以达
到战术级的要求 。美国 No rthrop 公司也于 1994 年
研制了一种结构类似的音叉式微陀螺 , 已达到的性
能如 下 :零偏 稳 定 性和 标 度因 数 稳 定性 分 别 为
10°/ h 和 200 ×10-6 , 角 随 机 游 走 度 的 典 型 值 为
约 100 10 000 ～ 50 000 商业 姿态 航向 参考 系统 (A H RS)、制导弹药等
<0 .01 <0 .001 <0 .001
>400
103 约 100 >100 000 商用/军用飞机 、 船舶、航天器等
2 各类 M EM S 微陀螺简介
MEM S 微陀螺从作用原理上来说主要 可以分 为四类 :哥氏加速度效应微振动陀螺 、 悬浮转子式 微陀螺 、 微集成光学式陀螺和微原子陀螺 。 2.1 微振动陀螺
MEMS 微陀螺仪研究进展
成宇翔 , 张卫平 , 陈文元 , 崔 峰 , 刘 武 , 吴校生
(上海交通大学 微纳科学技术研究院 微米/ 纳米加工技术国家级重点实验室 , 上海 200240)
摘要 :回顾了 MEM S 微陀螺仪的研究进展 , 简单介绍了 M EMS 微陀螺仪的市场应用 。 微陀螺仪 是 MEM S 器件中非常重要的一类器件 。它的运用已经从单纯的航空领域逐渐转向汽车 、 消费电 子行业等低端市场 , 这意味着微陀螺仪除了传统意义上的高精度高稳定性的要求 , 也可以向低精 度商品化发展 。 传统的振动式陀螺 , 由于原理的局限性和加工技术的限制 , 很难达到战术级和惯 性级的要求 。导航级集成微陀螺 (NGIM G)项目建议使用其他途径 , 以减少器件的可移动部件 和降低工艺难度 , 从而提高其精度和抗干扰能力 。各种设计方法近年来层出不穷 , 其中悬浮转子 式微陀螺是目前精度最高的陀螺仪 , 微集成光学式陀螺也将在未来一段时间拥有巨大的研究潜力 和发展空间 。 关键词 :微电子机械系统 (M EMS);惯性传感器 ;微陀螺仪 ;零偏漂移 ;角随机游走 ;悬浮转 子式微陀螺 中图分类号 :T H 703 文献标识码 :A 文章编号 :1671-4776 (2011)05-0277-09
带宽/ H z 成本/ ＄
应用范围
10 ～ 1 000 >0 .5 0 .1 ～ 1
50 ～ 1 000
103 >70 50 ～ 10 000 照相机 、医学仪器 、 游戏 、汽车等
0 .1 ～ 10 0 .5 ～ 0 .05 0 .01 ～ 0 .1
>500 103 ～ 104
零偏漂移 、 角随机游走是确定微陀螺性能的主 要指标 。当陀螺处于零输入状态时 , 陀螺的输出信 号是一个随机函数 , 为白噪声和一个慢变随机函数 的叠加 。设备的稳定性由系统白噪声所决定 , 而其 慢变随机函数可用来确定零漂或零偏稳定性指标 。
速率级和战术级的陀螺只能用于测量相对短时 间内的角速度 , 其角随机游走成为了限制其发展的 主要因素 。 而惯性级陀螺可以用于测量系统长期的 表现 , 零漂就成了这种陀螺的关键指标 。
振动陀螺主要利用哥氏力的作用原理 , 把输入 角速度量转换为一种位移 , 然后通过电容或压电等
方式将其检测出来 。此类微陀螺根据结构或者输入 原理不同 , 可以分为框架式 、 音叉式和振动环式等 。
框架式振动微陀螺是最早的非转子式微机械陀 螺 , 由美国 Draper 实验室最先提出[ 2] , 如图 1 (a) 所示 。 它采用内 、 外环框架结构 , 理想条件下 , 外 框架的驱动频率等于内框架的谐振频率 。 在真空环 境下 , 该陀螺的品质因数可达 2 000 , 预期漂移不 定性优于 10°/ h , 适用于短时间导航 。 1993 年 5 月
由于在实际过程中出现了不必要的交叉耦合信 号 , 之后一些研究集中在提高抵抗交叉耦合的鲁棒 性上 。 美国的密西根大学设计了一种基于振动环结 构的微陀螺[ 6] , 如图 3 (a) 所示 , 其 拥有同样共 振频率下的两种典型振动模态 , 避免了不必要的多 轴耦合 , 偏移稳定性能达到 10°/ s 。 德国的微系统 与信息技术研究所 (H SG-IMIT )基于解耦原理研 究成功解 耦角速 度检 测器[ 7] , 如图 3 (b)所 示 , 这种微陀螺的偏移稳定性达到 65°/ h 。 2005 年 , 加 州大学欧文分校设计了一个新颖的结构[ 8] :给质量 块提供了两自由度的振动电容 , 并且把驱动和检测 电极的自由度都限制在一个自由度 , 提高了系统的 解耦程度 , 如图 3 (c)所 示 。 该设计 提高了陀螺 的鲁棒性 , 却牺牲了系统的灵敏度 。2006 年 , 土 耳其的中东技术大学开发了一种具有相同驱动和检 测机构的对 称设计 悬臂 梁[ 9] , 如 图 3 (d)所 示 。 这种陀螺的偏移稳定性能达到 7°/ s 。 Invensense 公 司生产的 IDG -600 是一个双轴的微振动陀螺仪 , 采用了新型的纳西里 (N asiri) 封装技术 , 现在已 经批量生产 , 用于运动姿势传感 。但是由于科氏力 很弱 , 机械布朗噪声和 电白噪声限制 了器件的精 度 , 传统的振动式陀螺在性能上尚未取得根本的突 破 :其零漂多数在每小时几百到几十度 , 极少数为 战术级 , 虽有接近于 1°/ h 的报道 , 但实现高精度 达到惯性级相当困难 。
表 1 不同级别陀螺的性能指标
T able 1 P erfo rmance requirements of g y roscopes w ith different cla sses
性能指标
速率级
战术级
惯性级
零漂/(°· h -1) 随机游走/(°· h -12 )
标度因子/ % 最大输入角速度/(°· s -1) 1 ms 内承受最大冲击/(g · s)