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典型微机械陀螺

下一节:典型微机械陀螺(续)

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典型微机械陀螺课程教案、知识点、字幕

接下来我们来看几种典型的微机械陀螺

首先是音叉式的结构

我们都知道音叉

它是一个由两个相同的对称结构所组成的

反向振动系统

它的一阶振动模态是音叉产生的反向振动

二者同时向内或者同时向外

在这样一个振动模态下

如果耦合进来一个角速度

那么它会产生与振动方向相垂直的一个科氏力

那么这个科氏力也是反向的

会使音叉在这样振动的同时

产生这样方向的一个偏转

那么这个偏转会带动音叉根部产生一个扭转

如果将压阻制造在音叉的根部

那么我们就可以把这个扭转测量出来

这个图是一个具体化的结构

这是由戴姆勒公司早年生产出来的

一个音叉式的加速度传感器

它采用两个薄板作为音叉的两个叉值

薄板上沉积了氮化铝压电的驱动器

那么在压电驱动器的作用下

它的谐振方向是垂直于薄板的方向二者反向

当耦合一个沿着x轴的旋转的时候

那么谐振方向和耦合方向的科氏力是沿着纸面

垂直于纸面方向的

而下边的音叉是垂直于纸面方向向外

因此二者的科氏力也是反向的

这样的一个作用结果就使音叉的根部

受到了一个扭转的作用

而音叉的根部制造有一个压阻传感器

那么我们就可以通过压阻传感器

压阻的大小来获得所对应的角速度的大小

这是这个音叉传感器的制造流程

它采用了氢氧化钾刻蚀和硅片键合技术

首先用两个SOI圆片

分别刻蚀两个凹槽

这两个圆片刻蚀的结构是完全一样的

然后将凹槽相对进行硅硅键合

键合以后将上层圆片的硅衬底去掉

得到图C所示的结构

去掉图C的二氧化硅以后得到图D

那么进一步来制造扩散电阻和氮化铝薄膜

最后采用刻蚀的办法将可动结构刻蚀悬空

并去掉下方的衬底

下面我们来看用表面微加工来制造的

音叉式的微机械陀螺

那么最早的Draper Lab所实现的陀螺就是

这样的一个结构方式

它由Draper Lab开发

后来成功以后将技术许可给霍尼韦尔公司量产

它采用的是叉指来驱动一个质量块

在平面内产生谐振

然后采用平板电容来检测的方式

下面所列举的是它的基本一些性能参数

比如说这个质量块在垂直电极方向的

最大位移大概在5个纳米

产生的电容变化大小大约是

3乘10的负18次方F

那么这是器件的噪声和它的零偏稳定性

早期Draper Lab所制造的这样的一个陀螺

是利用了熔硅的技术

我们来看它具体工艺流程

首先如图A所示

先用体硅氢氧化钾刻蚀的办法

刻蚀一个具有一定深度的凹槽

然后对凹槽表面进行高浓度的硼掺杂

再用刻蚀的办法来定义不同的部分

然后在玻璃上沉积金属

把硅圆片和玻璃圆片进行静电键合

键合以后在氢氧化钾刻蚀中把硅片的衬底去掉

而结构层由于高浓度的硼掺杂

在氢氧化钾刻蚀中速度很慢

所以它得到保留

那么这样一个桥式结构悬空的部分就是

谐振的微机械陀螺

那么它与玻璃上的电极二者之间构成了

一个平板电极

所以当前面我们提到的叉指驱动的质量块

产生面内谐振的时候

耦合进来的旋转角速度使叉指电容发生了偏转

那么就改变了这个结构

和底电极之间的电容大小

从而可以实现对角速度的测量

下面我们来看由Bosch公司所开发的

利用体加工技术制造的音叉式陀螺

那么它采用的是电磁力来激励的方式

我们来看这样的一个结构

当这个陀螺在一个磁场强度B的作用下

在结构表面通以电流的时候

电流在磁场的作用下会产生电磁激励

那么这个力的大小可以用

F等于L乘以电流大小乘以磁场强度

所计算出来

当这样一个驱动在电磁场中产生垂直于

纸面的振动的时候

耦合进来的科氏力的方向是沿着

平行于纸面的方向

因此我们可以看出来它可以改变质量块

和固定端之间的叉指电容的大小

所以它通过电磁的激励和静电电容的检测

来实现对角速度的测量

我们来看它的制造过程

它也是采用了一个SOI圆片作为衬底

那么首先从正面刻蚀我们所需要的陀螺结构

从背面刻蚀一定的深度

形成一个凹槽

然后对整个系统进行互连和电磁材料的制造

在正面键合一个密封腔

然后从反面将其释放

我们就得到了一个悬空的一个体加工的

陀螺结构

那么更常用的办法

是采用SOI和反应离子深刻蚀来制造

体加工技术的大质量块的谐振陀螺

我们来看这个陀螺结构是由

挪威的SensoNor公司所开发的

那么它的制造方式就采用了

SOI来刻蚀器件层

然后从背面进行释放悬空

这个陀螺也是采用了一个音叉式的结构

但是它是采用平板电极测量的方式

它的性能非常高

比如说SensoNor公司的

SAR100它的零偏稳定性

可以做到每小时0.02度

这是目前硅微机械的陀螺非常高的水平

同样的加工技术也就是SOI

和反应离子深刻蚀可以有

多种不同的结构设计

比如说这个图是佐治亚理工所开发的

一个高性能的陀螺

那么它所采用的是叉指电容在两侧激励的办法

激励质量块沿着水平方向谐振

当耦合进来角速度的时候

那么它会产生沿着水平垂直方向的一个位移

那么这两者之间的测量电极就可以检测到

质量块的位移

从而获得角速度的大小

下面我们来介绍一种谐振梁式的陀螺

它的典型特点是一个质量块通过弹性结构

支撑在一个框架上

我们把它称为一个内框架

内框架再通过另一个弹性结构

支撑在衬底或者是外框架上

内框架由于是由弹性结构支撑的

所以它可以产生位移

而外框架或者衬底是固定不动的

我们来看这是一个抽象的陀螺模型

当谐振的方向是在纸面内产生垂直振动的时候

耦合进来垂直于纸面的旋转

那么会让质量块所带动的内框架

沿着水平方向发生位移

这样的一个位移就改变了内框架

与外框架或者衬底之间叉指电容的大小

从而我们可以通过测量叉指电容的变化

来计算出角速度的大小

这种陀螺结构最典型的是ADI公司

所开发的ADXRS系列

那么它所利用的工艺过程与该公司所制造的

ADXL系列的加速度传感器是一样的

都是表面微加工比较薄的一个质量块层

这样的一个结构在测量上采用了

两个相同谐振单元的特点

那么这两个相同的谐振单元能够

产生垂直的振动

因此它们的共模输出可以消除

加速度和温度的影响

我们前面反复提到实际上谐振式的陀螺

就是一个谐振式的加速度传感器再旋转起来

那么对于一个加速度传感器来讲

在测量角速度的同时

它仍旧对加速度有较强的敏感性

因此外部的加速度会对角速度的测量

产生较大的干扰

因此一个高性能的陀螺必须能够抑制

加速度的干扰

对于ADI公司所开发的

这个ADRS系列

那么它们具有非常高的信号处理能力

比如说它的满量程电容的变化只有

1.2乘10的负17次方F

那么电容分辨率达到了

1.2乘以10的负20次方F

这样的一个高强的一个信号处理能力

是保证整个陀螺正常工作和分辨率的

一个基本条件

通常由于陀螺的二阶耦合模式

比一阶振动模式更弱

因此陀螺的输出信号远比

加速度的输出信号要低

MEMS与微系统课程列表:

第一章 概述

-第1小节 MEMS的定义

--MEMS的定义

-第1小节 MEMS的定义--作业

-第2小节 MEMS的应用领域

--MEMS的应用领域

-第2小节 MEMS的应用领域--作业

-第3小节 MEMS的发展

--MSMS的发展

-第3小节 MEMS的发展--作业

-第4小节 MEMS的发展(续)

--MEMS的发展(续)

-第4小节 MEMS的发展(续)--作业

第二章 微系统基本理论—基础力学与基本物理

-第1小节 应力和应变

--应力与应变

-第1小节 应力和应变--作业

-第2小节 弹性梁

--弹性梁

-第2小节 弹性梁--作业

-第3小节 弹性梁(续)

--弹性梁(续)

-第3小节 弹性梁(续)--作业

-第4小节 薄板与流体的基本概念

--薄板与流体的基本概念

-第4小节 薄板与流体的基本概念--作业

-第5小节 流体的基本概念(续)

--流体的基本概念(续)

-第5小节 流体的基本概念(续)--作业

-第6小节 静电力

--静电力

-第6小节 静电力--作业

-第7小节 尺寸效应

--尺寸效应

-第7小节 尺寸效应--作业

第三章 微系统制造技术I—光刻与体微加工技术

-第1小节 MEMS光刻技术

--MEMS光刻技术

-第1小节 MEMS光刻技术--作业

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向同性湿法刻蚀

-第2小节 体微加工技术—各向同性湿法刻蚀--作业

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀

-第3小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀--作业

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

--体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)

-第4小节 体微加工技术—各向异性湿法刻蚀(续)--作业

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀

--体微加工技术—干法刻蚀

-第5小节 体微加工技术—干法刻蚀--作业

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀

--体微加工技术—时分复用深刻蚀

-第6小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀--作业

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

--体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)

-第7小节 体微加工技术—时分复用深刻蚀(续)--作业

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀

-- 体微加工技术—稳态深刻蚀

-第8小节 体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用

--体微加工技术—稳态深刻蚀--作业

-第9小节 体微加工技术—干法刻蚀设备与应用--作业

第三章 微系统制造技术II—表面微加工技术

-第1小节 表面微加工技术概述

-- 表面微加工技术概述

-第1小节 表面微加工技术概述--作业

-第2小节 表面微加工技术的几个问题

--表面微加工技术的几个问题

-第2小节 表面微加工技术的几个问题--作业

-第3小节 表面微加工代工工艺

--表面微加工代工工艺

-第3小节 表面微加工代工工艺--作业

-第4小节 表面微加工的应用

--表面微加工的应用

-第4小节 表面微加工的应用--作业

-第5小节 厚结构层技术

-- 厚结构层技术

-第5小节 厚结构层技术--作业

第三章 微系统制造技术III—键合

-第1小节 键合概述与直接键合

-- 键合概述与直接键合

-第1小节 键合概述与直接键合--作业

-第2小节 阳极键合与聚合物键合

--阳极键合与聚合物键合

-第2小节 阳极键合与聚合物键合--作业

-第3小节 金属键合与键合设备

-- 金属键合与键合设备

-第3小节 金属键合与键合设备--作业

第三章 微系统制造技术IV—集成与封装

-第1小节 工艺集成

-- 工艺集成

-第1小节 工艺集成--作业

-第2小节 系统集成

--系统集成

-第2小节 系统集成--作业

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成

--单芯片集成与多芯片集成

-第3小节 单芯片集成与多芯片集成--作业

-第4小节 三维集成

--三维集成

-第4小节 三维集成--作业

-第5小节 MEMS封装

--MEMS封装

-第5小节 MEMS封装--作业

-第6小节 MEMS封装(续)

--MEMS封装(续)

-第6小节 MEMS封装(续)--作业

第四章 微型传感器I—传感器的敏感机理

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 压阻传感器

--压阻传感器

-第2小节 压阻传感器--作业

-第3小节 电容传感器与压电传感器

--电容传感器与压电传感器

-第3小节 电容传感器与压电传感器--作业

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器

--谐振传感器与遂穿传感器

-第4小节 谐振传感器与遂穿传感器--作业

第四章 微型传感器Ⅱ—压力传感器

-第1小节 压力传感器

--压力传感器

-第1小节 压力传感器--作业

-第2小节 压阻式压力传感器

-- 压阻式压力传感器

-第2小节 压阻式压力传感器--作业

-第3小节 压阻式压力传感器(续)

--压阻式压力传感器(续)

-第3小节 压阻式压力传感器(续)--作业

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器

--电容式压力传感器与谐振式压力传感器

-第4小节 电容式压力传感器与谐振式压力传感器--作业

-第5小节 硅微麦克风

--硅微麦克风

-第5小节 硅微麦克风--作业

第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述

--惯性传感器与加速度传感器概述

-第1小节 惯性传感器与加速度传感器概述--作业

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器

--压阻式与电容式加速度传感器

-第2小节 压阻式与电容式加速度传感器--作业

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器

--电容式与热传导式加速度传感器

-第3小节 电容式与热传导式加速度传感器--作业

-第4小节 微机械陀螺概述

--微机械陀螺概述

-第4小节 微机械陀螺概述--作业

-第5小节 典型微机械陀螺

--典型微机械陀螺

-第5小节 典型微机械陀螺--作业

-第6小节 典型微机械陀螺(续)

--典型微机械陀螺(续)

-第6小节 典型微机械陀螺(续)--作业

-第7小节 模态解耦合

--模态解耦合

-第7小节 模态解耦合--作业

第五章 微型执行器

-第1小节 执行器概述

--执行器概述

-第1小节 执行器概述--作业

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器

--静电执行器—平板电容执行器

-第2小节 静电执行器—平板电容执行器--作业

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)

--静电执行器—平板电容执行器(续)

-第3小节 静电执行器—平板电容执行器(续)--作业

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器

--静电执行器—叉指电容执行器

-第4小节 静电执行器—叉指电容执行器--作业

-第5小节 热执行器

--热执行器

-第5小节 热执行器--作业

-第6小节 压电执行器和磁执行器

-- 压电执行器和磁执行器

-第6小节 压电执行器和磁执行器--作业

第六章 RF MEMS

-第1小节 RF MEMS概述

-- RF MEMS概述

-第1小节 RF MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS开关I

--MEMS开关I

-第2小节 MEMS开关I--作业

-第3小节 MEMS开关II

--MEMS开关II

-第4小节 MEMS开关III

--MEMS开关III

-第4小节 MEMS开关III--作业

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器

--MEMS谐振器—梳状谐振器

-第5小节 MEMS谐振器—梳状谐振器--作业

-第6小节 MEMS谐振器—板式谐振器

--MEMS谐振器—板式谐振器

-第7小节 MEMS谐振器的制造

--MEMS谐振器的制造

-第7小节 MEMS谐振器的制造--作业

第七章 光学MEMS

-第1小节 光学MEMS概述

-- 光学MEMS概述

-第1小节 光学MEMS概述--作业

-第2小节 MEMS光开关I

--MEMS光开关I

-第2小节 MEMS光开关I--作业

-第3小节 MEMS光开关II

-- MEMS光开关II

-第3小节 MEMS光开关II--作业

-第4小节 影像再现I—反射器件

-- 影像再现I—反射器件

-第4小节 影像再现I—反射器件--作业

-第5小节 影像再现II—衍射器件

--影像再现II—衍射器件

-第5小节 影像再现II—衍射器件--作业

-第6小节 影像再现III—干涉器件

--影像再现III—干涉器件

-第6小节 影像再现III—干涉器件--作业

第八章 微流体与芯片实验室

-第1小节 概述

-- 概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 软光刻技术

--软光刻技术

-第2小节 软光刻技术--作业

-第3小节 微流体输运

--微流体输运

-第3小节 微流体输运--作业

-第4小节 微流体输运(续)

--微流体输运(续)

-第4小节 微流体输运(续)--作业

-第5小节 试样处理

--试样处理

-第5小节 试样处理--作业

-第6小节 试样处理(续)

--试样处理(续)

-第7小节 检测技术

--检测技术

-第8小节 微流体应用

--微流体应用

-第8小节 微流体应用--作业

-第9小节 微流体应用(续)

--微流体应用(续)

-第9小节 微流体应用(续)--作业

第九章 BioMEMS

-第1小节 概述

--概述

-第1小节 概述--作业

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器

--药物释放 神经探针 生物传感器

-第2小节 药物释放 神经探针 生物传感器--作业

-第3小节 可穿戴与可植入微系统

--可穿戴与可植入微系统

-第3小节 可穿戴与可植入微系统--作业

典型微机械陀螺笔记与讨论

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