MEMS技術(shù)發(fā)展及應用優(yōu)勢
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LN-200 1MU采用SiACTM微機械加速度計，自1994年來(lái)一直高產(chǎn)。LN-200已廣泛用于空間姿態(tài)穩定、導彈制導、雷達穩定裝置等。已成功地應用于A(yíng)GM-142空地導彈、BQM-74E亞聲速靶機、蘭天機載吊倉式光電系統、全球鷹無(wú)人機及先進(jìn)中距空空導彈等武器平合上。
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(shí)間，電路采用脈沖調寬、數字輸出、閉環(huán)控制方案。量程為10g，標度因數穩定性達到3x10的-4次方，偏置穩定性為250ug，B-290硅加速度計已經(jīng)于1995年與光纖陀螺組合成1MU。
硅微陀螺儀是以微機械工藝為基礎制作的慣性?xún)x表，與傳統慣性元件相比，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成本低、易集成、抗過(guò)載能力強和可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。
微機械陀螺的研究始于20世紀80年代.1985年，Drape實(shí)驗室首先開(kāi)始研制微機械陀螺，先后采用框架式角振動(dòng)方案、音叉式線(xiàn)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，使其只能沿個(gè)方向振動(dòng)。檢測電極用來(lái)檢測由哥氏力引起的振動(dòng)位移.該芯片同時(shí)將檢側電路與敏感結構集成在一起，一方面大大減少了嗓聲信號的影響，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(kāi)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(pán)。支撐件為4根由圓盤(pán)外側向外延伸的彈性梁。圓盤(pán)周?chē)?2對梳齒，分別作靜電驅動(dòng)和驅動(dòng)檢測之用。該陀螺儀采用表面微加工工藝加工。與超大規模集成電路工藝兼容。在7.89Pa的真空環(huán)境下，該陀螺儀驅動(dòng)模態(tài)品質(zhì)因數為960。開(kāi)環(huán)試臉表明，當驅動(dòng)模態(tài)與檢測模態(tài)的自然頻率相差1.4%時(shí)，隨機游走為10 P/h。經(jīng)改進(jìn)的陀螺儀由Sandia國家實(shí)驗室加工。目前已與Z軸陀螺儀和三軸加速度計一起構成單片IMU。
采用和IC工藝兼容的MEMS工藝，實(shí)現的六自由度慣性傳感器系統如圖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(shí)現了單片集成，有效減小體積、功耗，同時(shí)降低成本。
針對導航和制導領(lǐng)域應用要求，Litton公司于1996年開(kāi)始微機械陀螺儀SiCyTM的研制，2003年SiCyTM實(shí)現1P/h-10P/h，用于LN-3001MU。噴氣推進(jìn)實(shí)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(shí)零偏穩定性已達到1P/h,目標是應用于微小衛星的導航控制。
同時(shí)日本、澳大利亞、加拿大等國家部開(kāi)展了基于MEMS慣性?xún)x表技術(shù)的研究工作。
3 MEMS應用優(yōu)勢
MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，特點(diǎn)突出，應用前景良好.主要體現在以下幾個(gè)方面：
1)體積越來(lái)越小，精度越來(lái)越高，設計方案呈多樣化。
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(cháng)多晶硅層來(lái)制造微機械結鉤。體加工技術(shù)的基礎是單晶硅刻蝕技術(shù)，中間層的硅微機械結構經(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工藝結合前兩者的優(yōu)勢，它可以得到高質(zhì)量的單品硅獨立結構，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，完善了微敏感結構工藝工序的膜厚、線(xiàn)寬以及內應力的檢測，微結構高深寬比的三維尺寸加工精度能夠得到較好的保證，全硅敏感結構工藝正在開(kāi)發(fā)和完善。
3) 工程應用領(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、數字化、高可靠性方向發(fā)展，成功的應用案例非常多。例如，ADM公司研制的表面工藝的MEMS慣性器件大量應用于民用和工業(yè)傳感領(lǐng)域，產(chǎn)品銷(xiāo)量己經(jīng)達到幾億只，每只售價(jià)僅幾十美元?？蓮V泛用于姿態(tài)穩定系統以及短距離的戰術(shù)武器制導，還可以和全球定位系統(GPS)組合構成導航系統，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、精確控制設計與實(shí)現奠定基礎。
傳統飛行器上的控制系統姿態(tài)敏感和調控設備因為體積大，能耗大，多設備冗余設計只能通過(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、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布放。MEMS為基礎的器件則不同，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，飛行器上控制系統實(shí)現二級冗余、三級冗余乃至N級獨立的冗余控制方案的設計和實(shí)現提供了現實(shí)基礎;還可以通過(guò)多點(diǎn)布放，將飛行器姿態(tài)的測量由傳統的局限式的點(diǎn)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，為探索和應用新的測量方法，提高測量精度提供了有力的支撐。
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