1、第 1 页 共 45 页基于隧道效应微陀螺仪的结构设计与工艺设计摘要：针对在惯性导航系统中应用的高灵敏度陀螺仪，本文介绍了基于隧道效应的微机械陀螺仪,根据隧道效应的特点提出了隧道陀螺仪的结构方案,利用Ansys软件对该陀螺进行了模态分析、静态位移分析和应力分析，证明了该结构是合理的。结合目前的加工工艺水平设计了相应的工艺流程。最后使用Intellisuite软件对该陀螺仪的工艺流程进行了仿真，验证了该工艺是可行的。关键词：微机械，隧道效应陀螺，陀螺结构设计Structural design and fabrication design of micromachinedgyroscope on
2、tunnel effectAbstract: Aimed at high-sensitive gyroscope used in the intertial navigation system, application of tunneling effect in micromachined gyroscope is described in the paper.According to the characteristic of tunneling effect, a scheme of gyroscope structure is presented. Modal analysis and
3、 static displacement analysis and stress analysis are described by using Ansys software,show that the structural is reasonable.Design the corresponding fabrication process with tfe current level of processing fabrication.Do simulation to the fabrication process of the tunnel gyroscope by using Intel
4、lisuite softwore,show that the fabrication is feasible.Key words: micromachine, tunneling effect gyroscope, structural design of the gyroscope第 2 页 共 45 页1 绪论在现代国防技术中，惯性导航、惯性制导、姿态测量和控制是许多军事武器系统装备的关键技术，而这些核心的技术之一就是陀螺仪。陀螺仪是一种角速度传感器，其学科基础是精密机械、运动力学、弹性力学、声学和微电子学等。它可以用来测量载体的角位移和角速度，其中用于测量载体角速度的陀螺仪称为速率陀螺仪
5、或角速度陀螺仪，本质上是一种角速率传感器。陀螺仪是随着军事需求而发展起来的，是现代武器装备中一项支撑技术，在现代高技术战略发展中具有十分重要的作用。近二十年来，随着我国国防事业的发展，惯性技术获得了迅速的发展，因此在惯性导航技术中，需要更高性能的速率陀螺仪作为航行体转角和角速度的检测元件，这对速率陀螺仪的精度、适应恶劣环境的能力、功耗、寿命以及体积提出了更高的要求。微机械陀螺仪作为敏感元件，主要基于哥氏力为载体提供准确的方位、角速度和角位移等信号，完成对运动体的姿态控制 1。微机械陀螺仪是 80 年代后期发展起来的一种新型陀螺，它具有体积小、重量轻、功耗低、抗过载能力强、能适用于较恶劣的环境条
6、件等优点。因此，微机械陀螺可广泛应用于汽车牵引控制系统、行驶稳定系统、摄像机稳定系统、计算机的惯性鼠标以及军事领域。1.1 微机械陀螺的发展概述陀螺的原意为高速旋转的刚体,而现在一般将能够测量相对惯性空间的角速度和角位移的装置称为陀螺。陀螺是一种即使无外界参考信号也能探测出运载体本身姿态和状态变化的内部传感器,其功能是敏感运动体的角度、角速度和角加速度。陀螺仪有两大特性, 即定轴性和进动性。利用这两个特性就可在导弹等运载器的飞行过程中建立不变的基准, 从而测量出运动体的姿态角和角速度。同时由加速度计测出其线加速度,经过必要的积分运算和坐标变换,确定弹(箭)相对于基准坐标系的瞬时速度和位置。也就
7、是说,可以利用陀螺的特性建立一个相对惯性空间的人工参考坐标系,通过陀螺仪和加速度计测出运载器(包括火箭、导弹、潜艇、远程飞机、宇航飞行器等)的旋转运动和直线运动信号,经计算机综合计算,并指令姿态控制系统和推进系统, 实现运载器的完全自主导航。微机械陀螺仪的性能指标在很短的十几年内得到了迅速提高，目前正由速率第 3 页 共 45 页级向战术级精度迈进 2。自 1910 年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有100 多年的发展历史。早在 1852 年，法国学者傅科首先在实验室利用高速旋转刚体的定轴性，定性的演示了地球自转现象，并提出了“陀螺”这个术语，一百年以来，陀螺已经从简单的演示装置发展成为
8、精度很高的仪表，在航空，航天，航海以及制导技术中得到了广泛的应用。最早的陀螺仪是由机械加工制成的转动式陀螺，图 1.1 为传统的单框架旋转式陀螺仪示意图，它利用高速转动的物体角动量守恒的原理测量角速度，这种陀螺仪具有很高的精度，但其结构复杂，成本高，且高速转动部件的磨损大大缩短其使用寿命，一般仅用于导航方面，难以应用于一般的运动控制。后来人们在陀螺转子的支撑方式上进一步改进，发展了气浮、液浮陀螺，以及挠性支撑陀螺等，以减小磨损，提高陀螺寿命和性能。图 1.1 传统的单框架旋转式陀螺仪示意图本世纪 50 年代开始出现利用物体线动量守恒来测量角速度的振动式陀螺仪。世界首例振动式陀螺于五十年代由英国
9、的 Sperry 陀螺公司研制成功，其利用电磁方法实现驱动和检测。音叉式陀螺是最为经典的振动陀螺结构，这种陀螺有 2 个连接到一个基础上的音叉齿组成，在工作状态下，2 个音叉齿受到驱动以一个固定的幅度进行差分共振（第一模态） ，基轴的旋转输入角速度在每个音叉齿上产生与驱动方相垂直的哥氏加速度，并引起该方向的振动（第二模态） ，该加速度形成的力与旋转输入角速度成正比且可从音叉齿的弯曲或基轴的扭转振动中检测出来，图 1.2 为音叉振动陀螺示意图。 第 4 页 共 45 页图 1.2 音叉振动陀螺示意图1.2 微机械陀螺的研究现状1.2.1 国外微机械陀螺的研究现状微机械陀螺仪的研究始于 20 世纪
10、 80 年代。1988 年，美国的 Draper 实验室研制出了世界上第一个硅微机械陀螺仪，它采用双框架结构，利用硅的各向异性湿法腐蚀工艺实现。这种陀螺仪的驱动和检测都为角振动模式，分别采用静电驱动和电容检测，测量 z 轴角速度。这种陀螺在真空封装下测得的噪声等效角速度为4/s。韩国三星公司研制出的表面微机械 z 轴振动陀螺仪，驱动和检测都采用梳状电极。它的噪声等效角速度达到了 0.1/s，带宽为 100Hz。为了实现陀螺两个模态的匹配，三星公司对陀螺结构进行了改进，使得两个模态的等效弹性系数相等，同时用高深宽比的体硅工艺代替表面工艺。1996 年，加州大学 Berkeley 分校报道了一种梳
11、状驱动、梳状电容检测的 Z 轴振动式微机械陀螺结构。陀螺采用多晶硅表面微机械工艺制作，驱动和检测均采用梳状叉指结构，中间较短的叉指用于驱动，上下两组较长可动叉指与两侧固定叉指构成检测差分电容。通过器件中间的梳状电极静电驱动惯性质量沿 X 轴方向振动，当 Z 轴方向存在输入角速度时，惯性质量受到哥氏力作用沿 Y 方向振动，检测可动叉指与两侧固定叉指的差分电容变化，即可感知角速度。图 1.3 是美国伯克利大学于 2002 年研制的一种共振输出微机械陀螺的工作示意图和 SEM 图片。所谓共振输出是指，陀螺的检测信号（即敏感信号）是陀螺机械结构的振动信息。该陀螺采用多晶硅材料，体积约为1.2mm1.2
12、mm2.25 。首先检测质量块沿驱动方向振动，当沿 Z 轴方向由角m第 5 页 共 45 页速度输入时，陀螺敏感轴方向就会产生哥氏力，哥氏力的作用通过杠杆臂放大，同时传递到双轴音叉的轴向。由于音叉对于轴向应力很敏感，同时可以转化为音叉共振频率的变化。利用上述原理，我们可以通过测量音叉自振频率的变化得到相应输入角速度的大小。图 1.3 共振输出微机械陀螺工作示意图及其 SEM 图1.2.2 国内微机械陀螺的研究现状我国微机械陀螺的研究始于 20 世纪 80 年代末，有关微传感器的研究处于起步阶段，目前一些高校和研究单位都在积极筹划促进这项具有战略意义的关键技术的研究开发。如北京大学微电子研究所、
13、清华大学精仪系等已经开始对硅微机械角速率传感器展开研究。但是由于基础薄弱，特别是微机械加工已成为我国微传感器发展的瓶颈，所以至今没有像样的成果问世，还处于实验室阶段。国内研制的双框架角振动微机械陀螺仪是一种用于测量运动物体角速度的微型惯性器件，其结构如图 1.4 所示，有内、外两个框架，内框架组件作驱动电极，外框架作敏感电极感测输入角速度。当驱动电极上加交变电压时，内板块受静电力的作用而扭转振动。这里若沿 Z 轴有角速度输入，由于哥氏效应产生哥氏力，将会使外框架板块偏转而振动，即敏感电容有一个 2C 变化量，这样就知道了输入角速度的大小。第 6 页 共 45 页图 1.4 双框架式微机械陀螺结
14、构我国复旦大学电子工程系研究的一种正交复合梁质量块结构硅微机械速率陀螺的结构，如图 1.5 所示。它使用静电激励、压阻检出,压阻检测方式使得测量电路大为简化。正交复合梁由截面垂直于硅片表面的垂直梁和硅片上表面附近的平行于硅片表面的水平梁两部分构成，采用独创的无掩膜腐蚀新技术制成。图 1.5 正交复合梁质量块结构硅微机械陀螺图 1.6 为清华大学振动轮式微机械陀螺的结构示意图和 SEM 图,它由振动轮及外矩形框组成。整个结构由支杆支承在基底上,四根弹性梁具有很低的抗弯刚度, 可使整个结构绕支杆作弹性振动。而支承振动轮与外矩形框的扭杆具有很低的抗扭刚度和很高的抗弯刚度,可使外矩形框绕扭杆作偏转振动
15、。整个装置由振动轮轮辐上的梳齿与定齿之间的静电力驱动产生绕 Z 轴的振动 ,即驱动模型。当沿敏感轴即 Y 轴方向有角速度输入时,就产生哥氏力,而哥氏力又使整个装置绕测量轴即 X轴振动,由于 X 方向上两根扭杆抗扭刚度很低,仅使外矩形框绕 X 轴振动,因而抑制了振动轮的振动,形成检测模态,这种振动非常小,可以由位于矩形框下方的淀积在基片上的电容电极检测出来,经信号处理获得与输入角速度成正比的信号。第 7 页 共 45 页图 1.6 振动轮式微机械陀螺结构示意图和 SEM 图1.3 隧道陀螺的研究目的及意义长期以来，传统陀螺仪的高成本使其应用多局限于成本为非主要因素的军用系统。随着微米/纳米制造技
16、术的进步和新的军用武器与民用产品的需求 4，惯性技术领域正在经历一场深刻的变化，在各先进的工业国家先后采用由半导体工业发展起来的批加工技术，分别制造出微机械惯性仪表、石英晶体微惯性仪表以及微集成光学陀螺,其中以硅微机械惯性仪最为引人注目。硅微机械陀螺仪是硅微机械惯性仪表的重要组成部分，它主要用于测量物体相对于惯性空间转动的加速度或者角位移。目前，它们都可以达到中等惯性仪表的精度，能满足大量战术武器的要求，与 GPS 组合，可以组成微小型低价的导航定位系统；同时微机械陀螺仪以尺寸小、重量轻，低成本，微功耗，可靠性高，以及易于批量加工，耐振动，耐冲击等优点大量用于许多民用领域，如汽车支承、制动与导
17、航系统、机器人控制、摄像机稳定、灵巧炸弹与火炮弹药制导等，具有广阔的应用前景，因而得到学术界和工业界的高度重视。硅微机械陀螺仪在现代导航技术中已经获得了广泛的应用。随着航空、航天等科技的发展，不仅对陀螺的精度、可靠性等提出了更高的要求，对体积减小、重量减轻的要求也越加强烈。当前，绝大多数硅微型陀螺仪采用电容式传感器检测其输出信号，随着陀螺仪表结构尺寸的极大缩小，仪表的灵敏度和分辨率大大降低，传统电容检测技术的灵敏度和分辨率也大大降低，达到了检测的极限状态；检测输出信号的信噪比非常低，信号检测电路和处理电路极为复杂，因此，寻求新的高性能位置传感器与硅微型陀螺仪相结合的方法是研究的方向之一。第 8
18、 页 共 45 页量子理论中的隧道效应现象已被广泛应用（如扫描隧道显微镜等） 。微机械电子隧道式加速度计的研制成功及其所表现出来的优越性能表明隧道效应传感器是一种非常好的的位置传感器，它具有高灵敏度、高分辨率和简单的控制线路等优点。采用隧道效应传感器的新颖微型陀螺仪将极大提高陀螺仪检测信号的灵敏度、分辨率和信噪比。该型陀螺仪的研制，必将进一步提高微机械陀螺仪的性能。1.4 本课题的来源和主要研究内容本课题的研究来源于国防重点实验室基金，主要研究内容有隧道效应微陀螺仪的理论分析与计算、结构设计与仿真、工艺设计与仿真。1.5 小结通过调研和分析目前国内外微机械陀螺仪的研究现状，对其发展有了比较清楚
19、的了解。当前绝大多数硅微型陀螺仪采用电容式传感器检测输出信号，灵敏度和分辨率大大降低，达到了检测的极限状态。隧道效应微机械陀螺仪具有高灵敏度、高分辨率、易于微型化等优点而得到广泛应用。介绍了本论文的研究目及意义，以及本课题的来源和主要研究内容。第 9 页 共 45 页2 隧道陀螺的理论基础与 MEMS 工艺介绍大部分微机械陀螺都属于振动式陀螺，它的工作原理基础是 Coriolis 效应加速度，利用 Coriolis 效应来实现驱动和检测模态之间的能量转移，通过检测陀螺在检测模态的位移或应变来得到角速度。2.1 微机械陀螺的工作原理2.1.1 哥氏效应惯性质量相对物体（非惯性系）的运动与运动物体
20、在惯性系下的运动的相互关系是实现惯性测量的基础。XYZX Y Z O ABr v rv orr o v图 2.1 动坐标和静坐标示意图如图 2.1 所示，设动坐标系 OXYZ绕静坐标系 OXYZ 的 Z 轴转动，在任一瞬时其角速度为 ，角加速度为 的动点 M 沿着动坐标系中的 AB 曲线作相对第 10 页 共 45 页运动。由点的合成定理可知，动点 M 的绝对速度为：(2.1)aerv将上式对时间求一阶导数，得动点的绝对加速度：(2.2)eradvt动点的牵连速度和牵连加速度可分别表示为：(2.3)evr(2.4)eav对式 2.3 两边求导，得：(2.5)eerdvrvt将式 2.4 代入上式得：(2.6)erdvavt由上式可见，当牵连运动为定轴转动时， 并不等于 ,而是等于 与edteaea的矢量和。同样，我们可以得到：rv(2.7)rrdvavt将式 2.6 和 2.7 代入式 2.1，得：(2.8)2aerrv(2.9)kr称为 Coriolis 加速度。由此可见，当牵连运动为转动时，由于牵连运动与ka相对运动的互相影响，从而除动点的绝对加速度和相对加速度这两个分量外，还要增加一项 Coriolis 加速度分量。Coriolis 加速度的大小与转动角速度的大小和质点速度成正比 5-6，因此通过测量 Coriolis 加速度和运动物体的速度就可以得到系
