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课程大作业

论文标题：

微陀螺仪技术研究综述

撰写人：

XXXXX

联系方式：

XXXX

院系：

仪器科学与工程学院

摘要

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。

根据原理的不同，人们将陀螺分为机械转子陀螺、光学陀螺和微机械陀螺。

微陀螺仪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。

微陀螺与传统的陀螺相比，它具有体积小、功耗低、成本低、灵敏度高、抗过载能力强、动态范围大和集成化等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，而且总体性能大幅提升，符合产品信息化发展方向，因此在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前景。

通过对微陀螺仪的技术研究进行综述，从其研究背景、原理、分类、制作工艺、测试手段以及应用案例进行了分析和概括，简要介绍了微陀螺仪的特点、性能指标和发展前景，详细描述了国内外的研究现状以及对几种应用广泛的微陀螺仪进行了详细的介绍。

包括微振动陀螺、流体陀螺、固体微陀螺、微集成光学式陀螺、悬浮转子式微陀螺和原子陀螺。

关键字：

微陀螺；研究现状；性能指标；原理；分类；制造流程；应用

目录

第一章微陀螺仪研究背景…………………………………………………………………………………………3

一、基本概念与组成…………………………………………………………………………………………………..3

二、国内外研究现状…………………………………………………………………………………………………..3

三、微陀螺仪的特点…………………………………………………………………………………………….…….5

四、基本性能指标………………………………………………………………………………………………….……5

五、发展前景……………………………………………………………………………………………………………….6

第二章微陀螺仪原理与分类方式……………………………………………………………………………8

一、基本原理……………………………………………………………………………………………………………….8

二、分类方式………………………………………………………………………………………………………….……9

第三章各类微陀螺仪简介………………………………………………………………………………………….11

一、微振动陀螺……………………………………………………………………………………………………..…….11

二、流体陀螺………………………………………………………………………………………………………….…….13

三、固体微陀螺……………………………………………………………………………………………………………14

四、微集成光学式陀螺…………………………………………………………………………………………….….15

五、悬浮转子式微陀螺………………………………………………………………………………………….…….16

六、原子陀螺………………………………………………………………………………………………………………..17

第四章微陀螺仪设计与制造……………………………………………………………………………………..18

一、设计流程与工具………………………………………………………………………………………………..…..18

二、工艺方法…………………………………………………………………………………………………………………18

三、制造技术难点…………………………………………………………………………………………………….…..19

第五章微陀螺仪测试及应用………………………………………………………………………………………20

一、测试内容及手段……………………………………………………………………………………………………..20

二、数据分析及方法……………………………………………………………………………………………………..20

三、应用案例………………………………………………………………………………………………………….………21

参考文献……………………………………………………………………………………………………………………………...24

第一章微陀螺仪研究背景

一、基本概念与组成：

微机械技术通过集成电路的平面工艺和其他一些特殊工艺，如各向异性腐蚀技术、牺牲层技术、键合技术等，在硅片、玻璃等材料上制作尺度在微米级到毫米级的微裂机电集成的传感器、执行器或微系统。

从20世纪80年代后期开始，随着半导体加工技术的进步，出现了将微机械与微电子集成的微机电系统（MEMS）技术。

微机电系统技术不仅集成了电路，还集成了机械部件，在微米量级内设计和制造微传感器、微执行器，促使了微型器件的研发，其中微陀螺仪就是一种受到世界各国广泛关注的微型惯性传感器。

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。

陀螺是惯性导航与制导系统中的核心器件，广泛应用于国民经济领域和国防军事领域。

根据原理的不同，人们将陀螺分为机械转子陀螺、光学陀螺和微机械陀螺。

微机械陀螺与传统的陀螺相比，它具有体积小、功耗低、成本低、灵敏度高、抗过载能力强、动态范围大和集成化等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，而且总体性能大幅提升，符合产品信息化发展方向，因此在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前景。

二、国内外研究现状：

国外从事微陀螺仪的研制和生产起步较早，工艺基础雄厚，已有商业化产品，抗冲击能力强，性能稳定，精度高，不断有创新成果。

20世纪80年代以来，Draper（德雷珀）实验室（美）、JPL公司（美）、LITTON（利顿）公司（美）、LITEF公司（德）、SAGEM公司（法）、AD公司（美）、Vector公司（俄）等相继开展微硅陀螺、微硅加速度计等微型惯性仪表的研究，有的已形成产品，进而进行微型惯性测量组合的研究。

美国国防部将MEMS技术列为国防部的关键技术，美国国防高级研究计划局（DARPA）资助开发军用MEMS的经费每年达5000万美元以上。

德雷珀实验室从1989年开始研制微机械振动陀螺仪，已封装实验了200个不同型号的微机械振动陀螺仪，经受了加速度为8000g的冲击和离心试验。

在1991年研制出一种微型惯性测量组合，其体积为2cm×2cm×0.5cm，质量为5g。

它仅比普通惯导体积的万分之一多一点，其中陀螺仪的漂移为10（°）/h。

这一系统包括三个陀螺仪和三个加速度计，以及相应的执行元件，在一块25.8cm2的硅片上便可制造出4000个这样的微型惯性测量装置。

BEI电子公司SystronDonner惯性分公司已采用MEMS技术，批量生产出单轴、三轴固态石英压电陀螺，其生产速度超过每月800只，目前在国内市场上已可买到，可用于高档汽车、导航、飞机、航天等领域。

日本在1989年成立了微机械研究会，1992年日本正式启动一项为期10年、耗资1.9亿美元的“微机械研究计划”，着重发展6个方面的技术：

延伸微纳米技术、微装置技术、器件高度集成技术、场能利用技术、多分布与协同管理技术和智能材料利用技术。

据报导，日本住友精密工业公司和英国航天公司已合作研制成功一种硅微机械压电陀螺仪——CRS系列振动陀螺仪。

ADI公司的ADXRSnnn（nnn表示满量程的每秒度数）系列微机械陀螺采用表面工艺制造，ADXRS150和ADXRS300陀螺结构为4μm厚多晶硅，灵敏度为12.5mV/（º/s），工作状态和非工作状态抗冲击分别为2500g和33000g，外形为7mm方形，高度为3mm，功耗也只有25mW，具有完全电路集成、低功耗、抗振动和冲击等优点，代表了陀螺技术的飞跃[1]。

德国Bosch公司最先将磁驱动引入微机械陀螺，利用电容检测，其灵敏度为18mV/（º/s），量程为100º/s，工作温度范围-40～85ºC；芬兰赫尔辛基科技大学研究了一种工艺简单的微机械电容检测框架式振动陀螺，实现了噪声0.042º/s√Hz，信噪比51.6dB[2]；最新研究方面，美国加州大学微系统实验室研制了一种新颖的嵌套式质量块框架结构陀螺，它采用静电驱动和电容检测，灵敏度为0.690mV/（°/s）[3]，部分研究成果如图1.2.1所示。

图1.2.1国外微机械陀螺研究成果

我国微机械的研究始于1989年，现已研制出数百微米大小的静电电机和直径为3mm的压电电机。

清华大学导航与控制教研组的陀螺技术十分成熟，已发展了高精度静电陀螺的成熟技术，姿态漂移仅为每小时万分之五，并已掌握微机械与光波导陀螺技术。

东南大学精密仪器及机械系科学研究中心也不断进行关键部件、微机械陀螺仪和新型惯性装置与GPS组合系统的开发研究，满足广阔的军民两用市场的需要。

从1995年末开始，国防科工委便投入6000万元以上的经费主要用于惯性器件的基础性研究，并且硅微机械陀螺技术已纳入863计划中。

由上可知，我国的MEMS技术研究工作虽然起步较晚，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、东南大学等多家单位，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。

中电13所、中电26所等研究单位已有可用产品，中电13所用硅制作，电容检测方式，中电26所用石英制作，压电检测方式，漂移为10°/h左右。

在研究方面，复旦大学采用压阻效应的陀螺电桥输出值为0.22μV/°/s；下面均采用电容效应，清华大学研制的陀螺灵敏度为1.9mV/°/s[4]；中科院上海微系统所的陀螺灵敏度和非线性度分别为9.8mV/°/s和0.43%，北大研制的陀螺灵敏度达到22mv/°/s，非线性度为2.19%，哈工大的陀螺灵敏度为8.031mV/°/s[5]，部分研究成果如图1.2.2所示。

图1.2.2国内微机械陀部分研究成果

三、微陀螺仪的特点：

MEMS陀螺仪是利用coriolis定理，将旋转物体的角速度转换成和角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的。

它主要特点是：

①体积小、重量轻、功耗低；

②成本低，加工工艺可保证大规模生产；

③可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的冲击；

④测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千°/s。

但是，目前各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大、稳定性较差。

不同种类陀螺漂移率比较如图1.3.1所示[6]。

图1.3.1不同种类陀螺漂移性能比较

四、基本性能指标：

分析和评价陀螺的性能需要制定一系列的衡量准则，这些准则为我们应用陀螺提供了参考依据。

总体而言，微陀螺有以下几个主要的性能指标：

图1.4.1微机械陀螺性能指标

随机漂移――由随机的或不确定的有害力矩引起的漂移率。

测量范围――陀螺仪的量程。

阈值――陀螺仪能敏感的最小输入角速率。

分辨率――陀螺仪在规定的输入角速率下，能敏感的最小输入角速率增量，至少应等于按标度因数所期望输出增量的50％。

标度因数――陀螺仪输出量和输入角速率的比值。

标度因数非线性度――在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大的偏差和最大输出量之比。

在上述的性能指标中，刻度因子、分辨率、零偏及零偏稳定性和输出噪声（通常用随机游走表示）是确定陀螺性能的重要参数。

五、发展前景：

陀螺仪器最早是用于航海导航，但随着科学技术的发展，它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。

自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺已有近100年的发展史，发展过程大致分为4个阶段:

第一阶段是滚珠轴承支承陀螺马达和框架的陀螺；第二阶段是20世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮和气浮陀螺；第三阶段是20世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺；目前陀螺的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺[7]。

微陀螺是二十世纪八十年代初发展起来的军民两用高新技术，与传统的陀螺相比，它具有体积小、功耗低、成本低、抗过载能力强、动态范围大、可集成化等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，而且总体性能大幅提升，因此在现代军事领域具有广泛的应用前景。

在陀螺仪的传统应用领域，国防军事应用中，高精度微机械陀螺将可用于导弹、航空航天、超音速飞行器等高精度需求的军用产品中[8]。

微陀螺目前精度在10-2°/h左右，还将进一步提高到10-3°/h。

随着先进的微电子技术的发展，成本和价格也会大幅下降，预计微机械陀螺的价格将会在一美元到几百美元之间。

其低廉的价格将使其在民用消费领域也将具有广阔的应用前景，有望在一些新的领域中，如车载导航系统、天文望远镜、工业机器人、计算机鼠标、照相机甚至是机器人玩具等中低端上应用需求的产品中得到应用。

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。

许多市场调查包括SRI，NEXUS，SystemPlanning公司，SEMI等一致认为微机械惯性传感器市场将每年以15%~25%的年增长率增长，到2003年将超过10亿美元的产业。

微机械使用现代半导体制造技术来铸造机械结构，使得成本、尺寸、功耗、环境生存能力、工作寿命与传统技术相比有量级上的提高。

如同半导体取代真空管，微机械传感器正逐步替代传统惯性传感器。

目前，低性能传感器市场已经由硅微机械占据。

微机械陀螺的性能在很短的几十年内得到了迅速的提高，目前正由速率级向战术级精度迈进。

从1991年起，根据随机游走系数定义的陀螺性能指标，体工艺微机械和表面工艺微机械陀螺的性能在每2年便以10倍的速度得到提高。

生产成本、性能和可靠性是微机械陀螺商业化的关键因素。

将产品成本降低到大规模汽车市场可接受的水平，需要精密微机械、高度真空封装、高性能接口电路和电子调谐技术。

另外，在一个芯片上组合多轴微机械传感器是微机械惯性传感器的重要发展方向。

根据以上所述，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[9]。

第二章微陀螺仪原理与分类方式

一、基本原理：

微陀螺仪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。

只有当线速度与转速同时柯氏加速度存在时才会出现，因此为测量柯氏加速度需使加速度传感器跟随物体旋转的同时运动起来。

实现的最简单方法就是谐振，即施加激励使加速度传感器做往复运动。

由于柯氏力正比于驱动谐振的运动频率，因此希望谐振频率和振幅越大越好。

柯氏效应即coriolis效应，最早用来表述由于地球自转引起的物体运动方向发生偏折的自然现象，如：

大气涡旋方向，河流两岸冲刷程度不同等。

在微机械陀螺基本原理中本质相同，但旋转体不再是地球而是陀螺仪本身。

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所在的平面。

判断方法按照右手旋进规则进行判断，如图2.1.1所示：

图2.1.1柯氏加速度方向判定

假如质点以非常快的速度沿转盘径向做简谐振动，那么可以利用右手旋进准则判断出，质点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出微机械陀螺。

一种电磁驱动式，如图2.1.2右图所示。

将陀螺结构放入匀强磁场，当驱动导线通以正弦电流信号时，质量块将沿X轴方向简谐振动，而此时若有沿Y轴方向的角速度输入时，根据柯氏效应，陀螺质量块将在Z轴方向是产生振动，这样就可以通过检测悬臂梁基部的RTD阻值和角速度和其阻值之间的关系解算出相应的角速度值，实现角速度的测量。

图2.1.2傅科摆与微机械陀螺关系

二、分类方式：

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。

（1）按振动结构可将微机械陀螺划分成线振动结构和旋转振动结构；

在线振动结构里又可划分成正交线振动结构和非正交线振动结构。

正交线振动结构指振动模态和检测模态相互垂直，在正交线振动结构里有振动梁结构，振动音叉结构，振动平板结构，加速度计振动陀螺等；而非正交线振动结构主要指振动模态和检测模态共面且相差45°的振动结构，如薄壁半球共振陀螺，以及在其基础上发展形成的共振环结构陀螺和共振圆柱结构陀螺。

在旋转振动结构中有振动盘结构陀螺和旋转盘结构陀螺等，这种类型陀螺多属于表面微机械双轴速率陀螺。

（2）按材料可将微机械陀螺划分为硅材料陀螺和非硅材料陀螺；

在硅材料陀螺中又可分成单晶硅陀螺和多晶硅陀螺；在非硅材料陀螺中又包括石英材料陀螺和其它材料陀螺。

（3）按驱动方式可将微机械陀螺划分成静电式驱动、电磁式驱动和压电式驱动等。

（4）按检测方式可将微机械陀螺划分成电容性检测、压阻性检测、压电性检测、光学检测和隧道效应检测等。

（5）按工作模式可将微机械陀螺划分成速率陀螺和速率积分陀螺。

速率陀螺包括开环模式和闭环模式（力再平衡反馈控制）；速率积分陀螺则指整角模式。

一般非正交线振动结构中的陀螺多可在整角模式下工作，而其它类型的大部分陀螺均属于速率陀螺。

（6）按加工方式可以将微机械陀螺划分成体微机械加工、表面微机械加工、LIGA等，

上述对微机械陀螺的分类归纳起来如图2.2.1所示。

图2.2.1微机械陀螺分类

第三章各类微陀螺仪简介

一、微振动陀螺：

振动陀螺主要利用哥氏力的作用原理,把输入角速度量转换为一种位移,然后通过电容或压电等方式将其检测出来。

此类微陀螺根据结构或者输入原理不同,可以分为框架式、音叉式和振动环式等。

框架式振动微陀螺是最早的非转子式微机械陀螺,由美国Draper实验室最先提出。

如图3.1（a）所示。

它采用内、外环框架结构,理想条件下,外框架的驱动频率等于内框架的谐振频率。

在真空环境下,该陀螺的品质因数可达2000,预期漂移不定性优于10/h,适用于短时间导航。

1993年5月Draper实验室又成功研制出第一台音叉式线振动陀螺仪（TFG）。

如图3.1（b）所示，它采用单晶硅梳状结构产生静电力驱动音叉,该陀螺已经可以达到战术级的要求。

美国Northrop公司也于1994年研制了一种结构类似的音叉式微陀螺。

该微陀螺已被Honeywell公司用于生产导航系统。

2005年，JHYoo等人[10]报道了一种基于铁镓合金（Galfenol）磁致伸缩材料的振动音叉式陀螺仪，如图3.1.2所示，整个尺寸为12mmX3mmX22mm，音叉敏感叉指的响应速度为36mm/s。

图3.1Draper提出的振动式微陀螺仪

图3.1.2Galfenol音叉陀螺仪原理机及整机

由于在实际过程中出现了不必要的交叉耦合信号,之后一些研究集中在提高抵抗交叉耦合的鲁棒性上。

美国的密西根大学设计了一种基于振动环结构的微陀螺，如图3.1.3（a）所示,其拥有同样共振频率下的两种典型振动模态,避免了不必要的多轴耦合,偏移稳定性能达到10/s。

德国的微系统与信息技术研究所（HSGIMIT）基于解耦原理研究成功解耦角速度检测器，如图3.1.3（b）所示，这种微陀螺的偏移稳定性达到65/h。

2005年,加州大学欧文分校设计了一个新颖的结构，给质量块提供了两自由度的振动电容,并且把驱动和检测电极的自由度都限制在一个自由度,提高了系统的解耦程度,如图3.1.3（c）所示。

该设计提高了陀螺的鲁棒性,却牺牲了系统的灵敏度。

2006年,土耳其的中东技术大学开发了一种具有相同驱动和检测机构的对称设计悬臂梁，如图3.1.3（d）所示。

这种陀螺的偏移稳定性能达到7/s。

Invensense公司生产的IDG-600是一个双轴的微振动陀螺仪，采用了新型的纳西里（Nasiri）封装技术,现在已经批量生产,用于运动姿势传感。

但是由于科氏力很弱,机械布朗噪声和电白噪声限制了器件的精度,传统的振动式陀螺在性能上尚未取得根本的突破：

其零漂多数在每小时几百到几十度,极少数为战术级,虽有接近于1/h的报道,但实现高精度达到惯性级相当困难。

图3.1.3基于解耦原理的各种微振动式陀螺

二、流体陀螺：

与传统陀螺仪相比,流体类陀螺仪由于没有悬挂质量块,结构大大简化,制作难度降低,更重要的是省去了复杂的活动部件,其抗冲击、抗振动能力大大提高,特别适合高冲击、高振动环境下使用。

射流气体陀螺是利用强迫对流气体的气流束和敏感元件的热阻效应来测量角速率的。

它结构简单,无活动检测质量,抗过载能力强,成本低,寿命长。

日本立命馆大学研制了一种能测量双输入轴角速度的气体微陀螺[11]。

分辨率可达005/s,如图3.2.1（a）所示。

射流陀螺可用于导弹、飞机、舰船、工业自动化和机器人等技术领域,是测量和控制角速度、角加速度和角度等角参数的关键部件,也是末制导炮弹和机器人姿态控制不可缺少的惯性器件。

图3.2.1流体陀螺的结构示意图

ECF（electroconjugatefluid）流体是一种新型的流体材料,当在流体两端的电极上加上几千伏的电压时,ECF流体可以产生很强的流动。

2009年,东京工业大学利用ECF流体的这种特性制作可基于ECF的流体陀螺，如图3.2.1（b）所示,其精度较传统的流体陀螺提高了两倍。

但是ECF流体陀螺所用的高电压却可能限制它的应用场合,设法寻找新的ECF材料或采取其他途径来降低所用的电压值是ECF流体陀螺扩大应用场合的关键。

超流体陀螺利用超流体的玻色爱因斯坦凝聚和量子化涡流特性进行工作。

基于低阻特性的超流体陀螺工作时,超流体黏滞系数很低,流体间以及流体对周围运动的阻尼很小,当承载容器与其发生切向运动时,超流体不会像通常的流体一样由于液体的黏性力发生随动,而是保持原来的状态。

这样超流体与承载容器间就出现了相对流动,检测这个运动速度或它的某种放大量就可以获得转动速度的信息。

利用量子化涡流,根据超流体的进动也可以敏感外界角速度。

利用超流体效应检测角速度,在原理上具有远远高于常规陀螺的性能潜力,美国科学家进行实验表明,超流体惯性测量装置测量地球自转时,精确度达到99.5%。

超流体陀螺适用于各类需要高精度陀螺的场合。

不过由于该方向的研究刚刚展开,不成熟的环节较多,如何将其与MEMS等微小型化技术相结合,开发高精度、低成本和小尺寸等优良性能,还有待进一步研究。

三、固体微陀螺：

声表面波陀螺（SAW）的研究从20世纪70年代开始,结构几经变革,并于90年代出现了一种叉指换能器（IDT）的声表面波微陀螺。

对IDT声表面波微陀螺的研究还处于起步阶段,面临的主要问题是IDT声表面波传感器的输出电压太低,而机电耦合系数大的压电单晶材料的温度稳定性都较差,但添加恒温装置又将极大地限制这种器件的应用,因而这种陀螺器件要实际应用还有很多困难需要克服。

2006年,日本Hyogo大