硅微振动陀螺技术综述

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1、MEMS陀螺技术研究综述MEMS陀螺仪研究背景MEMS陀螺仪原理与器件MEMS陀螺仪设计与制造MEMS陀螺仪测试及应用小结及体会目录1、MEMS陀螺仪研究背景MEMS陀螺仪研究历史及发展现状MEMS陀螺仪发展趋势MEMS陀螺仪基本概念1.1MEMS陀螺仪基本概念陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体旋转快慢的传感器。它在运输系统，例如，导航、刹车调节控制盒加速度测量等方面有很多应用。按照制作原理及结构可将其大致分为机械式陀螺仪、光学陀螺仪、微机械陀螺仪三类[1]。微机械陀螺仪是高新技术产物，具有体积小、功耗低多种优势，在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前

2、景[2]。各种原理的陀螺仪1.1MEMS陀螺仪基本概念微机械陀螺仪(MEMSgyroscope)主要有转子式、振动式微机械陀螺仪和微机械加速度计陀螺仪三种。转子式的MEMS陀螺较为少见，振动式和微加速度计式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效应。目前，MEMS陀螺仪基本都是振动式的[3]。体积微小的微机械陀螺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

3、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。1.2MEMS陀螺仪研究历史及发展现状德国Bosch公司芬兰赫尔辛基工业大学土耳其安卡拉中东科技大学日本MurataMfg.Co美国Michigan大学1.2MEMS陀螺仪研究历

4、史及发展现状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°/s7.2°/h日本MurataMfg.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3mm×3mm电容检测真空24mV/º/s大气100μV/º/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100º/s国外微机械陀螺的特点与性能指标[4-9]1.2MEMS陀螺仪研究历史及发展现状北京大学、清华大学、复旦大学，

5、中科院上海微系统所研制的的微机械陀螺结构[10-15]1.2MEMS陀螺仪研究历史及发展现状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0.22μV/°/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/°/s国内微机械陀螺的特点与性能指标[10-15]1.2MEMS陀螺仪研究历史及发展现状从国内外发展现状来看，微机械陀螺的特点总结如下：1、机械结构：圆环、独立梁、框架、双质量块2、驱动方式：电容驱动的多3、检测方式：电容检测的

6、多4、使用的材料：都是Si基，灵敏度mV级1.2MEMS陀螺仪发展趋势许多市场调查包括SRI，NEXUS，SystemPlanning公司，SEMI等一致认为mems陀螺仪市场将每年以15%~25%的年增长率增长。现代工业控制、航空航天、军用技术不可能离开惯性传感器；汽车，消费品和娱乐市场也开始依赖这些设备[17]。高精度、低成本、微型化、低功耗、多轴向高稳定性依然是微机械陀螺的技术追求，随着多传感器系统集成技术的发展，兼有陀螺仪功能的智能集成传感器系统将是MEMS陀螺的重要发展方向[18]。2、MEMS陀螺仪原理与器件MEMS陀螺仪分类及基本结构MEMS陀螺仪

7、基本原理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ωVac2.1MEMS陀螺仪基本原理ωyxacV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

8、出微机械陀螺（右图为电磁