MEMS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用優(yōu)勢

LN-200 1MU采用SiACTM微機械加速度計，自1994年來一直高產(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、蘭天機載吊倉式光電系統(tǒng)、全球鷹無人機及先進中距空空導(dǎo)彈等武器平合上。

德國Litef公司B-290硅加速度計如圖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，標度因數(shù)穩(wěn)定性達到3x10的-4次方，偏置穩(wěn)定性為250ug，B-290硅加速度計已經(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械工藝為基礎(chǔ)制作的慣性儀表，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、抗過載能力強和可批量生產(chǎn)等特點。

微機械陀螺的研究始于20世紀80年代.1985年，Drape實驗室首先開始研制微機械陀螺，先后采用框架式角振動方案、音叉式線振動方案及振動輪式方案。

2002年，ADI公司研制成功世界上第1個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)，使其只能沿個方向振動。檢測電極用來檢測由哥氏力引起的振動位移.該芯片同時將檢側(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的影響，同時減小了芯片的體積和功耗，此類陀螺儀主耍針對工業(yè)傳感領(lǐng)域。加州大學(xué)伯克利分校于20世紀90年代中期率先開始研究雙輸入軸微機械陀螺儀.初期研制的陀螺儀檢測質(zhì)量塊為直徑300um，厚2um的多晶硅圓盤。支撐件為4根由圓盤外側(cè)向外延伸的彈性梁。圓盤周圍有12對梳齒，分別作靜電驅(qū)動和驅(qū)動檢測之用。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)動模態(tài)品質(zhì)因數(shù)為960。開環(huán)試臉表明，當驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的自然頻率相差1.4%時，隨機游走為10 P/h。經(jīng)改進的陀螺儀由Sandia國家實驗室加工。目前已與Z軸陀螺儀和三軸加速度計一起構(gòu)成單片IMU。

采用和IC工藝兼容的MEMS工藝，實現(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。加速度計分辨率小于1mg,陀螺儀分辨率小于1P/s。由于實現(xiàn)了單片集成，有效減小體積、功耗，同時降低成本。

針對導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域應(yīng)用要求，Litton公司于1996年開始微機械陀螺儀SiCyTM的研制，2003年SiCyTM實現(xiàn)1P/h-10P/h，用于LN-3001MU。噴氣推進實驗室研制的四葉式硅陀螺，采用體加工技術(shù)和超精密機械加工,最后經(jīng)微組裝工藝裝配。體積為73.8 立方cm，功耗1w，2002年中期時零偏穩(wěn)定性已達到1P/h,目標是應(yīng)用于微小衛(wèi)星的導(dǎo)航控制。

同時日本、澳大利亞、加拿大等國家部開展了基于MEMS慣性儀表技術(shù)的研究工作。

3 MEMS應(yīng)用優(yōu)勢

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

1)體積越來越小，精度越來越高，設(shè)計方案呈多樣化。

例如MEMS陀螺先后經(jīng)歷振動框架式、諧振音叉式、振動輪式、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，零偏和標度因素由10 mg達到2005年的20ug. ADI公司成功研制的微小型雙軸加速度計體積僅為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多晶硅層來制造微機械結(jié)鉤。體加工技術(shù)的基礎(chǔ)是單晶硅刻蝕技術(shù)，中間層的硅微機械結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次掩膜、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整體。S01工藝結(jié)合前兩者的優(yōu)勢，它可以得到高質(zhì)量的單品硅獨立結(jié)構(gòu)，同時保留面加工。具有尺寸小、與IC工藝兼容、價格低的批量生產(chǎn)優(yōu)點。目前，上述3類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，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)工藝正在開發(fā)和完善。

3) 工程應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，成功案例越來越多。

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)品銷量己經(jīng)達到幾億只，每只售價僅幾十美元?？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)計與實現(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)備因為體積大，能耗大，多設(shè)備冗余設(shè)計只能通過增大飛行器體積，犧牲飛行器速度或有效航程為代價:慣導(dǎo)、陀操儀、加速度計等姿態(tài)測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，因為體積、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)實現(xiàn)二級冗余、三級冗余乃至N級獨立的冗余控制方案的設(shè)計和實現(xiàn)提供了現(xiàn)實基礎(chǔ);還可以通過多點布放，將飛行器姿態(tài)的測量由傳統(tǒng)的局限式的點式測量，可以拓展到網(wǎng)絡(luò)式的面基測量或三維體式測量，為探索和應(yīng)用新的測量方法，提高測量精度提供了有力的支撐。