MEMS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

LN-200 1MU采用SiACTM微機(jī)械加速度計(jì)，自1994年來(lái)一直高產(chǎn)。LN-200已廣泛用于空間姿態(tài)穩(wěn)定、導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)穩(wěn)定裝置等。已成功地應(yīng)用于AGM-142空地導(dǎo)彈、BQM-74E亞聲速靶機(jī)、蘭天機(jī)載吊倉(cāng)式光電系統(tǒng)、全球鷹無(wú)人機(jī)及先進(jìn)中距空空導(dǎo)彈等武器平合上。

德國(guó)Litef公司B-290硅加速度計(jì)如圖2所示，擺片采用4次雙面掩膜，面積為6mm x 6mm，在KOH溶液中控制硅片刻蝕時(shí)間，電路采用脈沖調(diào)寬、數(shù)字輸出、閉環(huán)控制方案。量程為10g，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性達(dá)到3x10的-4次方，偏置穩(wěn)定性為250ug，B-290硅加速度計(jì)已經(jīng)于1995年與光纖陀螺組合成1MU。

2.3 MEMS陀螺儀發(fā)展現(xiàn)狀

硅微陀螺儀是以微機(jī)械工藝為基礎(chǔ)制作的慣性?xún)x表，與傳統(tǒng)慣性元件相比，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成本低、易集成、抗過(guò)載能力強(qiáng)和可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。

微機(jī)械陀螺的研究始于20世紀(jì)80年代.1985年，Drape實(shí)驗(yàn)室首先開(kāi)始研制微機(jī)械陀螺，先后采用框架式角振動(dòng)方案、音叉式線振動(dòng)方案及振動(dòng)輪式方案。

2002年，ADI公司研制成功世界上第1個(gè)單片集成的商用陀螺儀產(chǎn)品ADXRS，它將敏感質(zhì)量塊限制在多品硅框架內(nèi)，使其只能沿個(gè)方向振動(dòng)。檢測(cè)電極用來(lái)檢測(cè)由哥氏力引起的振動(dòng)位移.該芯片同時(shí)將檢側(cè)電路與敏感結(jié)構(gòu)集成在一起，一方面大大減少了嗓聲信號(hào)的影響，同時(shí)減小了芯片的體積和功耗，此類(lèi)陀螺儀主耍針對(duì)工業(yè)傳感領(lǐng)域。加州大學(xué)伯克利分校于20世紀(jì)90年代中期率先開(kāi)始研究雙輸入軸微機(jī)械陀螺儀.初期研制的陀螺儀檢測(cè)質(zhì)量塊為直徑300um，厚2um的多晶硅圓盤(pán)。支撐件為4根由圓盤(pán)外側(cè)向外延伸的彈性梁。圓盤(pán)周?chē)?2對(duì)梳齒，分別作靜電驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)之用。該陀螺儀采用表面微加工工藝加工。與超大規(guī)模集成電路工藝兼容。在7.89Pa的真空環(huán)境下，該陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)品質(zhì)因數(shù)為960。開(kāi)環(huán)試臉表明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)的自然頻率相差1.4%時(shí)，隨機(jī)游走為10 P/h。經(jīng)改進(jìn)的陀螺儀由Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室加工。目前已與Z軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)一起構(gòu)成單片IMU。

采用和IC工藝兼容的MEMS工藝，實(shí)現(xiàn)的六自由度慣性傳感器系統(tǒng)如圖3所示，最大尺寸方向小于10mm。加速度計(jì)分辨率小于1mg,陀螺儀分辨率小于1P/s。由于實(shí)現(xiàn)了單片集成，有效減小體積、功耗，同時(shí)降低成本。

針對(duì)導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域應(yīng)用要求，Litton公司于1996年開(kāi)始微機(jī)械陀螺儀SiCyTM的研制，2003年SiCyTM實(shí)現(xiàn)1P/h-10P/h，用于LN-3001MU。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的四葉式硅陀螺，采用體加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工,最后經(jīng)微組裝工藝裝配。體積為73.8 立方cm，功耗1w，2002年中期時(shí)零偏穩(wěn)定性已達(dá)到1P/h,目標(biāo)是應(yīng)用于微小衛(wèi)星的導(dǎo)航控制。

同時(shí)日本、澳大利亞、加拿大等國(guó)家部開(kāi)展了基于MEMS慣性?xún)x表技術(shù)的研究工作。

3 MEMS應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，特點(diǎn)突出，應(yīng)用前景良好.主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)體積越來(lái)越小，精度越來(lái)越高，設(shè)計(jì)方案呈多樣化。

例如MEMS陀螺先后經(jīng)歷振動(dòng)框架式、諧振音叉式、振動(dòng)輪式、振環(huán)陀螺、四葉式等形式，陀螺漂移10 P/h.硅微加速度計(jì)先后經(jīng)歷叉指式、三明治式、諧振梁式等技術(shù)方案，零偏和標(biāo)度因素由10 mg達(dá)到2005年的20ug. ADI公司成功研制的微小型雙軸加速度計(jì)體積僅為5 mm x 5 mm x l .45 mm,質(zhì)量小于Ig。硅微陀螺ADXRS系列產(chǎn)品尺寸為7mm x 7mm x 3mm,質(zhì)量小于1g。技術(shù)方案的不斷創(chuàng)新，從工作機(jī)理上減少了誤差源，提高了精度。

2) 工藝和封裝技術(shù)日趨成熟

MEMS藝主要包括:面加工技術(shù)，體加工技術(shù)，基于絕緣基體硅工藝等等。面加工技術(shù)主要是基片上淀積或生長(zhǎng)多晶硅層來(lái)制造微機(jī)械結(jié)鉤。體加工技術(shù)的基礎(chǔ)是單晶硅刻蝕技術(shù)，中間層的硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)多次掩膜、雙面光刻以及各向異性刻蝕而成，然后與上下層精密鍵合成一個(gè)整體。S01工藝結(jié)合前兩者的優(yōu)勢(shì)，它可以得到高質(zhì)量的單品硅獨(dú)立結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留面加工。具有尺寸小、與IC工藝兼容、價(jià)格低的批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)。目前，上述3類(lèi)工藝工序操作和控制都得到了發(fā)展和提高，完善了微敏感結(jié)構(gòu)工藝工序的膜厚、線寬以及內(nèi)應(yīng)力的檢測(cè)，微結(jié)構(gòu)高深寬比的三維尺寸加工精度能夠得到較好的保證，全硅敏感結(jié)構(gòu)工藝正在開(kāi)發(fā)和完善。

3) 工程應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，成功案例越來(lái)越多。

MEMS技術(shù)正在不斷融合，向提高精度、數(shù)字化、高可靠性方向發(fā)展，成功的應(yīng)用案例非常多。例如，ADM公司研制的表面工藝的MEMS慣性器件大量應(yīng)用于民用和工業(yè)傳感領(lǐng)域，產(chǎn)品銷(xiāo)量己經(jīng)達(dá)到幾億只，每只售價(jià)僅幾十美元?？蓮V泛用于姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)以及短距離的戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)，還可以和全球定位系統(tǒng)(GPS)組合構(gòu)成導(dǎo)航系統(tǒng)，如Litton公司研制的體硅工藝的MEMS慣性器件LN300已經(jīng)裝備15000套。

4)為冗余控制、精確控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)飛行器上的控制系統(tǒng)姿態(tài)敏感和調(diào)控設(shè)備因?yàn)轶w積大，能耗大，多設(shè)備冗余設(shè)計(jì)只能通過(guò)增大飛行器體積，犧牲飛行器速度或有效航程為代價(jià):慣導(dǎo)、陀操儀、加速度計(jì)等姿態(tài)測(cè)量器件也不可能在飛行器上大范圍內(nèi)布放。MEMS為基礎(chǔ)的器件則不同，因?yàn)轶w積、質(zhì)量、能耗、精度各方面的綜合性能優(yōu)越，為其在飛行載體上的大量使用奠定了基礎(chǔ)，飛行器上控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二級(jí)冗余、三級(jí)冗余乃至N級(jí)獨(dú)立的冗余控制方案的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ);還可以通過(guò)多點(diǎn)布放，將飛行器姿態(tài)的測(cè)量由傳統(tǒng)的局限式的點(diǎn)式測(cè)量，可以拓展到網(wǎng)絡(luò)式的面基測(cè)量或三維體式測(cè)量，為探索和應(yīng)用新的測(cè)量方法，提高測(cè)量精度提供了有力的支撐。