微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)PPT課件

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1、微慣性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)劉志軍2120120999檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置搭訕電話：15010311282傳感器信號(hào)處理執(zhí)行器MEMS是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造和控制。MEMS是多種學(xué)科的交叉融合，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，目前已成功地應(yīng)用于汽車、電子和軍事等行業(yè)。美國(guó)：微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）（MicroElectroMechanicalSystem）歐洲：微系統(tǒng)技術(shù)（MST）（MicroSystemTechnology）日本：微機(jī)械（Micromachine）MEMS簡(jiǎn)介微機(jī)電系統(tǒng)的尺寸在微小尺寸范圍內(nèi)，機(jī)械依其特征尺寸可

2、以劃分為1-10毫米的小型(Mini-)機(jī)械，1微米一1毫米的微型機(jī)械以及1納米一1微米的機(jī)械。所謂微型機(jī)械從廣義上包含了微小型和納米機(jī)械，但并非單純微小化，而是指可批量制作的集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及接口信號(hào)處理和控制電路、通訊和電源等于一體的微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-ElectronicMechanicalSystem-MEMS)或稱為微機(jī)電系統(tǒng)。MEMS的特點(diǎn)1.微型化:MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、回應(yīng)時(shí)間短。2以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良。3.大量生產(chǎn):用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEM

3、S。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。4.集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器數(shù)組、微執(zhí)行器數(shù)組，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。5.多學(xué)科交叉:MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集中了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。微慣性器件類別微機(jī)電加速度計(jì)微陀螺儀微加速度計(jì)、微陀螺儀外觀隧道電流式加速度計(jì)(tunnelingbasedmicromachinedsiliconaecelerometer，TMSA)是將微機(jī)械加工的微結(jié)構(gòu)與基于電子隧道效應(yīng)的新的高靈敏測(cè)量技術(shù)結(jié)合

4、在一起形成的。，隧道電流硅微加速度計(jì)具有靈敏度高、信噪比大、動(dòng)態(tài)范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的新型傳感器。國(guó)內(nèi)微機(jī)電加速度計(jì)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代初，清華大學(xué)、中國(guó)電科集團(tuán)第13研究所、49研究所、中國(guó)航天科技集團(tuán)時(shí)代電子公司、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、北京大學(xué)、東南大學(xué)、中北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)一重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)等多個(gè)單位先后從事這方面的研究工作，研制出的產(chǎn)品已能滿足中低精度的需求。懸臂梁式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)圖硅梁結(jié)構(gòu)圖硅梁結(jié)構(gòu)圖2.電容式加速度微傳感器三軸式電容式加速度微傳感器3.諧振式加速度傳感器4.隧道式加速度微傳感

5、器5.伺服式加速度微傳感器微機(jī)電加速度計(jì)應(yīng)用1.傾斜測(cè)量和調(diào)平系統(tǒng)2.慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)3.醫(yī)療器械4.安全防撞系統(tǒng)5.提高電梯車輛舒適性4.安全防撞系統(tǒng)傳感器分辨率靈敏度要求較高，保證適時(shí)發(fā)出氣囊充氣的指令。MEMS在汽車中的應(yīng)用提高電梯車輛舒適性提供安全與舒適的轉(zhuǎn)向架監(jiān)控和診斷系統(tǒng)，改進(jìn)乘客舒適度的高速列車傾斜控制系統(tǒng)，磁懸浮列車的位置監(jiān)控，提供安全與維護(hù)的精準(zhǔn)列車定位和鐵路軌道監(jiān)控系統(tǒng)。1、微機(jī)械陀螺儀基本概念微機(jī)械陀螺特點(diǎn)微機(jī)械陀螺分類基本概念及組成1.1基本概念及組成陀螺儀也稱角速率傳感器，是用來(lái)測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)快慢的傳感器。微機(jī)械陀螺儀(MEMSgyroscope)主要

6、有轉(zhuǎn)子式、振動(dòng)式微機(jī)械陀螺儀和微機(jī)械加速度計(jì)陀螺儀三種。由于工藝限制，在硅襯底上加工出可高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子并不容易，因此轉(zhuǎn)子式的微機(jī)械陀螺并不常見(jiàn)，而振動(dòng)式和微加速度計(jì)式的微陀螺基本原理一致，都是利用柯氏效應(yīng)。目前，微機(jī)械陀螺基本都是振動(dòng)式的，因此本文將著重對(duì)這類陀螺進(jìn)行介紹。振動(dòng)式微機(jī)械陀螺主要由支撐框架、諧振質(zhì)量塊，以及激勵(lì)和測(cè)量單元幾個(gè)部分構(gòu)成。1.2微機(jī)械陀螺特點(diǎn)MEMS陀螺儀是利用coriolis定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成和角速度成正比的直流電壓信號(hào)，其核心部件通過(guò)摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的，它主要特點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)：1.體積小、重量輕、

7、功耗低。2.成本低，加工工藝可保證大規(guī)模生產(chǎn)。3.可靠性好，工作壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)，能承受數(shù)千甚至上萬(wàn)g的沖擊。4.測(cè)量范圍大，一些MEMS陀螺儀測(cè)量范圍可高達(dá)數(shù)千°/s缺點(diǎn)：目前，各種微機(jī)械陀螺的角速度測(cè)量精度相對(duì)較低，漂移較大。1.2微機(jī)械陀螺特點(diǎn)MEMS陀螺儀是利用coriolis定理，將旋轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成和角速度成正比的直流電壓信號(hào)，其核心部件通過(guò)摻雜技術(shù)、光刻技術(shù)、腐蝕技術(shù)、LIGA技術(shù)、封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)的，它主要特點(diǎn)是優(yōu)點(diǎn)：1.體積小、重量輕、功耗低。2.成本低，加工工藝可