微惯性技术发展现状与未来趋势

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,微惯性技术发展现状与未来趋势,刘志军,2120120999,检测技术与自动化装置,搭讪电话：,15010311282,传感器,信号处理,执行器,MEMS,是建立在微米,/,纳米技术基础上,的,的,21,世纪前沿技术，,对,对微米,/,纳米材料进行设,计,计、加工、制造,和,和控制。,MEMS,是多种学科的交,叉,叉融合，应用领,域,域极为广泛，目,前,前已成功地应用,于,于汽车、电子和,军,军事等行业。,美国：,微电子机械系统,（,（,MEMS,）（,MicroElectroMechanicalSystem,）,欧洲：,微系统技术（,MST,）（,MicroSystemTechnology,）,日本：,微机械（,Micromachine,）,MEMS,简介,微机电系统的尺,寸,寸,在微小尺寸范围,内,内，机械依其特,征,征尺寸可以划分,为,为,1-10,毫米的小型,(Mini-),机械，,1,微米一,1,毫米的微型机械,以,以及,1,纳米一,1,微米的机械。所,谓,谓微型机械从广,义,义上包含了微小,型,型和纳米机械，,但,但并非单纯微小,化,化，而是指可批,量,量制作的集微型,机,机构、微型传感,器,器、微型执行器,以,以及接口信号处,理,理和控制电路、,通,通讯和电源等于,一,一体的微电子机,械,械系统,(Micro-Electronic MechanicalSystem-ME MS),或,称为微机电系统,。,。,MEMS,的特,点,1.,微型化,:,MEMS,器件,体积小、重量轻,、,、耗能低、惯性,小,小、谐振频率,高、回應時間短,。,。,2,以,硅为,主要材料，,机械电器,性能,优良。,3.,大量生产,:,用,硅微加工工艺在,一,一片硅片上可同,时,时制造成百上千,个,个微型机电装置,或,或完整的,MEMS,。批量生产可大,大,大降低生产成本,。,。,4.,集成化,:,可以把不同功能,、,、不同敏感方向,或,或致动方向的多,个,个传感器或执行,器,器集成于一体，,或,或形成微传感器,数,数组、微执行器,数,数组，甚至把多,种,种功能的器件集,成,成在一起，形,成,成复杂的微系统,。,。,5.,多学科交叉,:,MEMS,涉及电子、机械,、,、材料、制造、,信,信息与自动控制,、,、物理、化学,和,和生物等多种学,科,科，并集中了当,今,今科学技术发展,的,的许多尖端成果,。,。,微惯性器件类别,微机电加速度计,微陀螺仪,微加速度计、微,陀,陀螺仪外观,微机电加速度计,发,发展,1977,年，美国斯坦福,大,大学首先采用各,向,向异性蚀刻与微,光,光刻技术制成一,种,种开环微型加速,度,度计，并于,20,世纪,8O,年代初首次投放,市,市场，随后许多,公,公司也纷纷仿效,研,研制。在,8O,年代后半期，人,们,们开始研究各种,力,力平衡式硅微加,速,速度计，并取得,了,了巨大进展。,2O,世纪,9O,年代后期，美国,加,加州大学柏克利,分,分校传感器与执,行,行器研究中心,(The BerkeleySensorActuater Center.BSAC),，,CSDL,及,Honeywell,公司等相继开展,了,了硅微谐振式加,速,速度计技术的研,究,究，这种加速度,计,计将被测加速度,信,信号转换成谐振,器,器的频率变化，,直,直接输出数字信,号,号，避免了微电,容,容检测的弊端,.,隧道电流式加速,度,度计,(tunneling based micromachined silicon aecelerometer,，,TMSA),是将微机械加,工,工的微结构与,基,基于电子隧道,效,效应的新的高,灵,灵敏测量技术,结,结合在一起形,成,成的。，隧,道,道电流硅微加,速,速度计具有灵,敏,敏度,高、信噪比大,、,、动态范围广,等,等一系列优点,，,，是一种很有,发,发展前途的新,型,型传感器。,国内微机电加,速,速度计技术的,研,研究始于,20,世纪,90,年代初，清华,大,大学、中国电,科,科集团第,13,研究所、,49,研究所、中国,航,航天科技集团,时,时代电子公司,、,、上海微系统,与,与信息技术研,究,究所、北京大,学,学、东南大学,、,、中北大学、,哈,哈尔滨工业大,学,学一重庆大学,、,、上海交通大,学,学、北京理工,大,大学、南京理,工,工大学等多个,单,单位先后从事,这,这方面的研究,工,工作，研制出,的,的产品已能满,足,足中低精度的,需,需求。,悬臂梁式加速,度,度微传感器结,构,构图,硅梁结构图,硅梁结构图,2.,电容式加速度,微,微传感器,三轴式电容式,加,加速度微传感,器,器,3.,谐振式加速度,传,传感器,4.,隧道式加速度,微,微传感器,5.,伺服式加速度,微,微传感器,微机电加速度,计,计应用,1.,倾斜测量和调,平,平系统,2.,惯性导航和制,导,导系统,3.,医疗器械,4.,安全防撞系统,5.,提高电梯车辆,舒,舒适性,4.,安全防撞系统,传感器分辨率,灵,灵敏度要求较,高,高，保证适时,发,发出气囊充气,的,的指令。,MEMS,在汽车中的应,用,用,提高电梯车辆,舒,舒适性,提供安全与舒,适,适的转向架监,控,控 和诊断系,统,统，改进乘客,舒,舒适度的高速,列,列车倾斜控制,系,系统，磁悬浮,列,列车的位置监,控,控，提供安全,与,与维护的精准,列,列车定位和铁,路,路轨道监控系,统,统。,1,、微机械陀螺仪,基,基本概念,微机械陀螺特,点,点,微机械陀螺分,类,类,基本概念及组,成,成,1.1,基本概念及组,成,成,陀螺仪也称角,速,速率传感器，,是,是用来测量物,体,体旋转快慢的,传,传感器。微机,械,械陀螺仪,(MEMSgyroscope),主要有转子式、振动式微机械陀螺仪,和,和微机械加速度,计,计陀螺仪三种。由于工艺限制,，,，在硅衬底上,加,加工出可高速,旋,旋转的转子并,不,不容易，因此,转,转子式的微机,械,械陀螺并不常,见,见，而振动式,和,和微加速度计,式,式的微陀螺基,本,本原理一致，,都,都是利用柯氏效应。,目前，微机械,陀,陀螺基本都是,振,振动式的，因,此,此本文将着重,对,对这类陀螺进,行,行介绍。振动,式,式微机械陀螺,主,主要由支撑框架、谐振质量块，以及激励和测量单元几个部分构成,。,。,1.2,微机械陀螺特,点,点,MEMS,陀螺仪是利用,coriolis,定理，将旋转,物,物体的角速度,转,转换成和角速,度,度成正比的直,流,流电压信号，,其,其核心部件通,过,过掺杂技术、,光,光刻技术、腐,蚀,蚀技术、,LIGA,技术、封装技,术,术等批量生产,的,的，它主要特,点,点是,优点：,1.,体积小、重量,轻,轻、功耗低。,2.,成本低，加工,工,工艺可保证大,规,规模生产。,3.,可靠性好，工,作,作寿命超过,10,万小时，能承,受,受数千甚至上,万,万,g,的,冲,冲击。,4.,测量范围大，,一,一些,MEMS,陀螺仪测量范,围,围可高达数千,/s,缺点：,目前，各种微,机,机械陀螺的角,速,速度测量精度,相,相对较低，,漂移较大。,1.2,微机械陀螺特,点,点,MEMS,陀螺仪是利用,coriolis,定理，将旋转,物,物体的角速度,转,转换成和角速,度,度成正比的直,流,流电压信号，,其,其核心部件通,过,过掺杂技术、,光,光刻技术、腐,蚀,蚀技术、,LIGA,技术、封装技,术,术等批量生产,的,的，它主要特,点,点是,优点：,1.,体积小、重量,轻,轻、功耗低。,2.,成本低，加工,工,工艺可保证大,规,规模生产。,3.,可靠性好，工,作,作寿命超过,10,万小时，能承,受,受数千甚至上,万,万,g,的,冲,冲击。,4.,测量范围大，,一,一些,MEMS,陀螺仪测量范,围,围可高达数千,/s,缺点：,目前，各种微,机,机械陀螺的角,速,速度测量精度,相,相对较低，,漂移较大。,1.3,微机械陀螺分,类,类,微机械陀螺分,类,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,螺,旋转盘结构陀,螺,螺,正交线振动结,构,构,非正交线振动,结,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,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,微,机,机,械,械,加,加,工,工,表,面,面,微,微,机,机,械,械,加,加,工,工,LIGA(,光,刻,刻,、,、,电,电,铸,铸,和,和,注,注,塑,塑,),表,面,面,工,工,艺,艺,制,制,作,作,的,的,微,微,结,结,构,构,体,硅,硅,工,工,艺,艺,制,制,作,作,的,的,微,微,结,结,构,构,返,回,回,1.3,微,机,机,械,械,陀,陀,螺,螺,分,分,类,类,微,机,机,械,械,陀,陀,螺,螺,分,分,类,类,按,驱,驱,动,动,方,方,式,式,按,检,检,测,测,方,方,式,式,压,电,电,式,式,静,电,电,式,式,电,磁,磁,式,式,压,电,电,检,检,测,测,电,容,容,检,检,测,测,压,阻,阻,式,式,检,检,测,测,光,学,学,检,检,测,测,隧,道,道,效,效,应,应,检,检,测,测,按,工,工,作,作,模,模,式,式,速,率,率,陀,陀,螺,螺,速率积分,陀,陀螺,闭环模式,开环模式,整角模式,压电驱动,静电驱动,电,电容检测,电磁驱动,压,压阻检测,隧道效应,检,检测,4,、微机械,陀,陀螺发展,概,概述,微机械陀,螺,螺以体积,小,小、成本,低,低、抗过,载,载能力强,等,等优势，,可,可应用于,导,导航、制,导,导、汽车,、,、电子玩,具,具等领域,，,，成为世,界,界各国研,究,究的热点,。,。,微机械陀,螺,螺国内外,研,研究现状,国外：如,美,美国,Draper,实验室、,ADI,公司、,Berkeley,大学，德,国,国,DaimlerBenz,公司、,Bosch,公司，日,本,本,Toyota,公司，以,及,及土耳其,、,、芬兰等,国,国家，已,有,有商业化,产,产品。,国内：有,北,北京大学,、,、清华大,学,学、复旦,大,大学、哈,尔,尔滨工业,大,大学、中,科,科院上海,微,微系统所,、,、中北大,学,学等，都,对,对陀螺进,行,行了深入,的,的研究，,取,取得了一,定,定的成果,，,，但无商,业,业化产品,，,，处于研,究,究阶段。,德国,Bosch,公司,芬兰赫尔,辛,辛基工业,大,大学,土耳其安,卡,卡拉中东,科,科技大学,日本,Murata Mfg.Co,美国,Michigan,大学,返回,单位,结构特点,检测机理,灵敏度,/,分辨率,噪声,/,漂移,美国,Michigan,大学,振动环式,电容检测,25Hz,带宽,下,分辨率,0.5,/s,7.2,/h,日本,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,械陀螺的,特,特点与性,能,能指标,北京大学,、,、清华大,学,学、复旦,大,大学，中,科,科院上海,微,微系统所,返回,单位,结构特点,检测机理,灵敏度,噪声,/,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/