微机械陀螺仪技术研究

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1、针对原子、分子和电子等的极小化研究，尺度特征为微米、纳米甚至皮米，研究手段以扫描隧道显微镜为代表。这其中，微型化是近二三十年自然科学和工程技术发展的一个重要趋势，而微纳米技术的研究则推动了这一领域的蓬勃发展。微电子机械系统(Micro．Electro—MechanicalSystems，简称MEMS)是微纳米技术研究的一个重要方向，是继微电子技术以后在微尺度研究领域中的又一次革命。MEMS是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成为一体，形成同时具有“传感一计算(控制)—-执行”功能的智能微型装置或系统

2、。MEMS的加工尺寸在微米量级，系统尺寸在毫米量级。它的学科交叉程度大，其研究已延伸至机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科，技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域。MEMS的发展源于集成电路，但又有所区别：MEMS能够感知物理世界中的各种信息，并由计算单元对信息进行处理，再通过执行器对环境实施作用与控制。微型化是MEMS的一个重要特点，但不是唯一特点。首先，MEMS不仅体积小、重量轻，同时具有谐振率和品质因子高、能量损失小等特点。其次，可批量加工特点大大降

3、低了MEMS产品成本：若借助于MEMS器件库，MEMS的设计将更加灵活，重用率更高。最后，强大的计算能力是MEMS系统实现信息采集、处理、控制的关键，充分利用集成电路的计算优势将会拓展MEMS在智能控制等领域的应用。随着微电子技术和微机械加工技术的发展及振动陀螺仪的出现，使人们制造出微小型惯性元器件的梦想成为了现实。在微观尺寸生产领域制造技术革命性的发展，使得小型元器件的尺寸突破了一个又一个极限。如扫描隧道显微镜，可以实现原子分辨率；电子束、离子束、X射线束制造技术，可以使器件的特征线宽做到100．250埃：分子

4、工程也与常规的平面工艺密切地结合起来。由于这些技术及相关技术的不断发展，使微小型制造业推进到了微米／纳米的水平。硅微型机械振动陀螺仪和硅微型加速度计等始于七十年代后期，而八十年代后期才真正发展起来。八十年代后期发展起来的这类新型惯性元件就是随着硅微机械加工技术的进步而涌现出的新型产品。它们具有一系列传统陀螺仪无法比拟的优点，主要表现在以下几个方面。1．体积小、重量轻利用硅微机械加工技术制造的硅微型机械振动陀螺仪、加速度计等惯性元件可以放在一个非常小的芯片上。尺寸可以是微米级的，而且重量也大幅降低。例如1988年美

5、国德雷柏实验室(CharlesStarkDraperLab)研制的框架式硅微型角振动陀螺仪【¨，其体积仅为600X300×2．59in3。而由该实验室于1994年研制的MMISA和ASIC组成的三维微型惯性测量组合(microinertialmeasurementunit,MIMU)的体积也仅有2X2X0．5cm3，质量为59。据美国航空与宇航学会(AIAA)的一篇研究报告【21，用单晶硅片化学刻蚀方法，在一块4英寸的硅片上可以批量生产多达4000个独立的微型惯性仪表。2．可靠性高硅微型惯性元件从结构上没有了高速

6、旋转的转子。它们的体积小、重量轻、成本低等特点，使得它们特别适合采用冗余配置方案。另外它们可以采用集成化的形式，将惯性元件与电子线路集成在一个芯片上，这样可减少干扰，从而使得它的可靠性提高。3．能承受恶劣环境条件由于硅材料的抗冲击能力强、硅微型惯性元件的结构简单等特点，使得它们具有承受恶劣环境条件的能力。一般可承受10，0009加速度的冲击。4．寿命长由于硅材料的抗冲击能力强，而且它们没有了高速旋转的转子使得其寿命大幅提高。例如美国德雷拍实验室研制的框架式硅微角振动陀螺仪的使用寿命可达100，000小时。5．可批

7、量生产由于微电子技术和微机械加工技术的发展与进步，使得硅微型惯性元件的批量生产变得简单容易。6．功耗低硅微型惯性元件的体积小、重量轻，且通常工作在真空状态下，使得它们所消耗的能量非常低，一般能耗在微瓦到微微瓦量级。7．测量范围大传统的转子陀螺仪，需要较大的动量矩，所以测量范围受到许多因素的制约，而硅微型惯性元件就没有这方面的问题。可以很容易地得到较大的测量范围。8．子线路集成硅微型惯性元件可以采用硅微机械加工工艺和半导体集成电路工艺来制造。这样可方便地将硅微型惯性元件和电子线路集成在一起。9．成本低由于硅微型惯性

8、元件采用硅微机械加工工艺和半导体集成电路工艺来制造，使得它们特别适合规模化生产和批量生产。所以可大幅提高生产效率，降低单个元件的成本。陀螺在任何环境下都具有自主导航的能力，因此自其问世以来，一直被广泛运用于航海、航空、航天、军事等领域。尤其是在军事上，陀螺向来是惯导系统的核心器件。早在1942年，德国在二次世界大战中首次在导弹上安装了由惯性敏感器组成的制导系统，其中就是用