MEMS陀螺仪发展综述及技术研究剖析.ppt

* 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。 微机械陀螺分类 按驱动方式 按检测方式 压电式 静电式 电磁式 压电检测 电容检测 压阻式检测 光学检测 隧道效应检测 按工作模式 速率陀螺 速率积分陀螺 闭环模式 开环模式 全角模式 技术指标 电容式 压电式 压阻式 隧道效应式 光学 阻抗 高 高 低 高 \ 电负载影响 非常大 大 小 小 小 尺寸 大 小 中等 小 大 温度范围 非常宽 宽 中等 中等 宽 线性度误差 高 中等 低 高 低 有无阻尼 有 无 有 有 无 灵敏度 高 中等 中等 高 很高 电路复杂程度 高 中等 低 高 高 成本 高 高 低 中 高 交叉轴敏感度 主要取决于机械设计，而非转导作用 部分检测方式的MEMS陀螺性能对比 * 结构设计方法 结构设计相关内容 作用：进行结果的相互对比、验证与校核 * 有限元软件 静态分析 优化设计 模态分析 瞬态分析 谐响应分析 结构应力 结构参数 哥氏效应 振动幅值 限位位移 振型和频率 敏感器件位置 路径分析 常用的有限元软件：ANSYS、COMSOL 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 初始化尺寸 软件优化 理论计算 优化尺寸 灵敏度 噪 声 检验 * 结构 设计 灵敏度 频率匹配 Q值设计 初始化尺寸 软件优化 理论计算 优化尺寸 灵敏度 噪 声 检验 * 工作原理示意图 动力学模型 动力学方程 谐振状态下工作模态稳态解 * 工作原理示意图 动力学模型 动力学方程 谐振状态下工作模态稳态解 灵敏度： 结论：当ω=ωx=ωz 时，陀螺的检测灵敏度最高。 * 典型MEMS制造工艺流程 * 常用的MEMS器件加工工艺方法 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。 * 常用的MEMS器件加工工艺方法 (1) 刻蚀浅槽 Glass Si (2) 表面掺杂 (3) 金属电极 (4) 阳极键合 (5) 硅片剪薄 (6) 释放结构 体硅深刻蚀释放工艺 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。 划片和封装技术用于微陀螺结构及敏感部件组合体单体分离及外部连接引线制作等，完成微陀螺基本器件制作。 * 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[21]。 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[19]。 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[19]。 * Thank You! * * * MEMS陀螺仪发展综述及技术研究 * * MEMS陀螺仪研究背景 MEMS陀螺仪基本知识 * 1、 MEMS陀螺仪研究背景 MEMS陀螺仪应用领域 MEMS陀螺仪国外研究现状 MEMS陀螺仪基本概念 MEMS陀螺仪国内研究现状 MEMS陀螺仪主要性能指标 * 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。 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 * 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。 体积微小的微机械陀螺 * 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。 性能指标 惯性级 战术级 速率级 零偏漂移(deg/h) 0.01 0.01~10 10~1000 角度随机游走系数(deg/√h) 0.001 0.001~0.5 0.5 标度因数非线性度（%） 0.001 0.001~0.1 0.1~1 满量程范围（de