微陀螺仪的设计与制造过程Word格式.docx

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关键词：

微机械陀螺仪，MEMS工艺，制作过程，关键技术

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnologyaswellasscientificresearchandtechnologymatures.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

1微机械陀螺仪研究背景…………………………………………………1

1.1概念简介………………………………………………………1

1.2MEMS陀螺仪研究历史及发展现状……………………………1

1.3研究目的………………………………………………………1

1.4研究方法………………………………………………………2

2微机械陀螺仪原理与结构………………………………………………5

2.1MEMS陀螺仪基本原理…………………………………………5

2.2MEMS陀螺仪分类及结构………………………………………6

3微机械陀螺仪设计及制造………………………………………………6

3.1MEMS陀螺仪设计流程…………………………………………6

3.2MEMS陀螺仪工艺方法…………………………………………7

3.3MEMS陀螺仪技术难点…………………………………………8

4微机械陀螺仪测试及应用……………………………………………8

4.1MEMS陀螺仪测试内容及手段…………………………………8

4.2MEMS陀螺仪应用………………………………………………10

5关于微机械陀螺仪发展的思考………………………………………11

6小结与体会……………………………………………………………11

参考文献……………………………………………………………………12

1微机械陀螺仪研究背景

1.1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。

1.2MEMS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DaimlerBenz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。

1.3研究目的

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。

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，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。

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

由于微陀螺仪的加工，远远不同于传统机械加工，。

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：

图1.1科里奥利力

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。

微陀螺仪基本上就是利用这个原理制造成的，不同的微陀螺仪，进行感应测算的零件材料和方法是不同的。

进行了微陀螺仪设计之后，就需要对微陀螺仪进行验算或者测试，保证微陀螺仪在各种各样需要的环境之下都能可靠运行，同时还能保证足够的感应精度。

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，微陀螺仪就是一个鸡肋。

毕竟微陀螺仪实在是太小了，更换的时候肯定十分困难，所以，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。

利用各种不同的材料和感应方法，首先做出各种不同种类的微陀螺仪，然后在各个不同的环境下进行试验，对他们进行横向比较，一点点的改进，更换材料，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。

微陀螺仪的加工工艺编排是十分重要的，没有良好的加工工艺，对于微陀螺仪这样的精密仪器，是生产不出来的。

微陀螺仪由于是微机械，所以加工使用的机械都是高科技产品，设备昂贵。

编排加工工艺的时候，必须要保证完美无缺，否则不但会损失材料，还有可能造成加工机械的破坏损失，这就是大祸事了。

微机械加工的时候，对于车间的温度、气压、空气的清洁度、加工人员的防护度都有极高的要求，务必做到严格执行相关标准。

否则生产过程之中就会造成极大的损失，以后处理起来也会十分困难。

微机械陀螺仪根据驱动与检测方式分为四种：

①静电驱动，电容检测；

②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。

其中静电驱动、电容检测的陀螺仪设计最为常见，并已有部分产品已研制成功。

就目前已研制成功的微机械陀螺仪来说，其结构有以下两种：

①音叉式结构，它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。

双框架角振动微机械陀螺仪研制较早，虽制作工艺简单，但音义式线振动微机械陀螺仪的灵敏度优于双框架角振动微机械陀螺仪。

一个优秀的微陀螺仪，不一定是最实用的微陀螺仪。

微陀螺仪的生产，不仅仅是关系到了微陀螺仪的紧密程度，还包括实用程度。

未脱落的实用程度包括很多方面：

一，成本。

成本是机械加工生产过程之中最关键的因素，基本上九成以上的加工手段都是在减少生产成本。

不断地降低生产成本是机械加工行业的永恒话题。

同样，生产微陀螺仪也必须考虑到生产成本，否则生产出来的微陀螺仪卖不出去，那到时候就亏大了

二，生产工艺的复杂程度。

生产工艺的复杂程度也关系到了生产成本。

不过，我在这里还是要提出来说一下。

不同的微陀螺仪，生产的工艺差别也很大，制作的难易程度也就不同。

生产工艺简单的微陀螺仪，在生产的时候成功率就会高很多，对于材料的浪费很少，产生的利润也就很高，单位利润对于机械的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。

三、微陀螺仪的灵敏度。

微陀螺仪的灵敏度是微陀螺仪的最重要的标志之一，也是微陀螺仪的应用范围广阔与否的标志。

灵敏度高的微陀螺仪，应用的范围也就越加广泛，在各种高科技产品之中都可以找到一席之地。

但是，灵敏度低的微陀螺仪，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。

如果是运用在不需要很高的灵敏度的地方，比如说是手机、平板电脑什么的，那么微陀螺仪的制造就不需要很高的成本，灵敏度足够使用就行了。

但是在运用到卫星、机器人等等尖端科技上面的时候，就需要足够的灵敏度，这个时候就不要考虑成本了。

2微机械陀螺仪原理与结构

2.1MEMS陀螺仪基本原理

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。

图2.1简谐振动图2.2柯氏加速度

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[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2.3开环电磁驱动电路原理框图

图2.4驱动反馈检测电路原理框图

图2.5敏感器件检测电路原理框图

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:

体微机械加工、表面微机械加工和LIGA等。

按振动结构分:

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。

3微机械陀螺仪设计及制造

3.1MEMS陀螺仪设计流程

图3.1结构设计原则

图3.2结构设计部分

图3.3结构设计方法

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。

2、体硅工艺

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。

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的设计、制造工艺、封装以及应用进行解释和指导。

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，传统检测效应接近灵敏度极限，限制了高性能MEMS陀螺仪的发展，新效应新原理器件亟待开发。

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。

4微机械陀螺仪测试及应用

4.1MEMS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MEMS陀螺仪研究工作的一部分。

还有陀螺仪信号提取与校准，量程测试、线性度测试、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

测试线性度

柯氏效应检测

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。

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。

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

图4.1MEMS陀螺仪的应用

5关于微机械陀螺仪发展的思考

在现今的世界格局中，战争以信息化战争的的对抗为主,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;

大力提高防空、反导、突防、电子和信息作战体系,加强局部作战区域的制空、制海和制电磁权的作战能力。

惯性技术是加强武器系统和提高作战能力的关键技术。

许多国家都将发展军事力量作为首要的目标，而衡量军事力量提高的一个因素就是先进武器系统的研究和制造，而这些研究工作中首先考虑的就是陀螺仪的使用和研发，航天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,在战术武器应用方面前景看好。

战略武器方面，惯性系统与其它方式的组合制导，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小结与体会

通过MEMS技术的学习使我们了解了更多关于MEMS技术方面的知识，如：

微系统设计技术、微细加工技术、微型机械组装和封装技术、微系统的表征和测试技术，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。

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