MEMS慣性器件發(fā)展與應(yīng)用研究

王 茹

(江西省南昌市中航工業(yè)洪都集團(tuán)，江西 南昌 330000）

1 引言

微電子機(jī)械系統(tǒng)[1](Micro-Electro-Mechanica Systems)，簡(jiǎn)稱MEMS，也可稱為微機(jī)電系統(tǒng)，是指可以批量制造的，一種將微型結(jié)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器設(shè)計(jì)為一體，同時(shí)將信號(hào)處理電路、接口以及通訊和電源也置于其內(nèi)部的微型器件或系統(tǒng)。采用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的慣性器件由于特性優(yōu)異，已在汽車、 航空航天、制導(dǎo)炸彈等各大領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，MEMS 慣性器件性能必將進(jìn)一步得到提升，其應(yīng)用范圍和應(yīng)用幅度必將繼續(xù)擴(kuò)大。本文闡述了MEMS 慣性器件特點(diǎn)、發(fā)展過程及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)MEMS 慣性器件未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 MEMS 慣性器件技術(shù)特點(diǎn)

2.1 MEMS 慣性器件性能特點(diǎn)

通常，MEMS 慣性器件包括微加速度計(jì)、微型陀螺和微慣性測(cè)量組合(MIMU)[2]?；贛EMS 的慣性器件一般采用硅基材料，同時(shí)在半導(dǎo)體集成電路制造工藝的基礎(chǔ)上制造而成。它不但具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低的特點(diǎn)，而且其低成本、高可靠性、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)更是其他慣性器件無法比擬。特別是其特征尺寸甚至到了微米量級(jí)，這使得它們可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器所不能完成的功能。

2.2 工作原理

MEMS 慣性器件的工作原理類似于傳統(tǒng)的慣性器件，即牛頓定律，通過測(cè)量載體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)（加速度）和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)（角速度），從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)載體的控制和導(dǎo)航。與傳統(tǒng)慣性器件相比，MEMS 慣性器件的體積、價(jià)格可降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，在國(guó)防和軍事應(yīng)用上意義重大。如何利用MEMS 慣性器件來搭建一套低成本卻能具有較高性能的微型慣導(dǎo)系統(tǒng)這個(gè)課題已經(jīng)引起相關(guān)科研單位的極大重視和關(guān)注[3]。

3 基于MEMS 的加速度計(jì)發(fā)展

硅微加速度計(jì)的發(fā)展經(jīng)歷了叉指式、三明治式、諧振梁式等形式結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案，零位偏置和刻度因數(shù)由最初為10mg，到2005年就提高到了20μg。最早是由美國(guó)ADI 公司實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)結(jié)構(gòu)外形和電子電路的一體化單片式集成，從1993年制造出第1 只采用了表面硅工藝的硅加速度計(jì)開始，到雙軸單片式集成硅加速度計(jì)，量程達(dá)到1.7g，精度為5.0mg。德國(guó)Litef 公司B-290 硅加速度計(jì)，其擺片采用4 次雙面掩膜技術(shù)，大小為6mm×6mm，放在KOH 溶液中通過控制硅片刻蝕的時(shí)間來完成，電路方案采用PMW、DO 和閉環(huán)控制，量程達(dá)到10g，刻度因數(shù)穩(wěn)定性達(dá)到3×10-4，零位偏置穩(wěn)定 性為250μg。2005年，Litton SiACTM 硅加速度計(jì)量程更是超過100g，零位偏置穩(wěn)定性達(dá)到20μg，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性達(dá)到5×10-5。此加速度計(jì)采用了全硅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低的特點(diǎn)。此類加速度計(jì)在導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域如小型無人機(jī)、 近程戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)等方面具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

4 基于MEMS 的陀螺發(fā)展

從文獻(xiàn)中看，目前國(guó)際上還沒有正式研發(fā)出達(dá)到慣性級(jí)性能的微陀螺儀。在大部分商用研究中，其目的也只是為了提高速率級(jí)微陀螺的技術(shù)指標(biāo)。只有少數(shù)的幾個(gè)研究機(jī)構(gòu) （如美國(guó)的Draper 實(shí)驗(yàn)室和JPL 實(shí)驗(yàn)室）算是真正成功地研制出了達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)（0.1～10°/h）的陀螺儀。

MEMS 陀螺儀的發(fā)展先后經(jīng)歷振動(dòng)框架式、諧振音叉式、振動(dòng)輪式、振環(huán)陀螺、四葉式等結(jié)構(gòu)形式。微機(jī)械陀螺的研究是從上世紀(jì)80年代開始的。1985年，Draper 實(shí)驗(yàn)室首先開始研制微機(jī)械陀螺，先后采用了框架式角振動(dòng)方案、音叉式線振動(dòng)方案和振動(dòng)輪式方案，性能由1994年的零位漂移為4 000°/h 提高到2000年的零位漂移優(yōu)于10°/h。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，該系列產(chǎn)品尺寸為7mm×7mm×3mm，質(zhì)量小于1g。此芯片將檢測(cè)電路與敏感結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)，不但極大降低了噪聲影響，而且使芯片的體積和功耗得到了有效減小，此類陀螺儀主要應(yīng)用于工業(yè)傳感領(lǐng)域［5］。針對(duì)導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域應(yīng)用要求，從1996年開始Litton 公司就開始研制微機(jī)械陀螺儀SiGyTM，到2003年SiGyTM 漂移達(dá)到了1°/h～10°/h［6］。

5 軍事和航天應(yīng)用現(xiàn)狀

5.1 軍事領(lǐng)域

美國(guó)對(duì)MEMS 技術(shù)初期的發(fā)展定位就是在軍事領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，每年投入的科研經(jīng)費(fèi)約5 000 萬美元。目前已經(jīng)有少量微型技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)入了美國(guó)軍方武器庫(kù)，按功能分有用于武器保養(yǎng)的分布式傳感器技術(shù)、 武器慣性測(cè)量技術(shù)和飛行器導(dǎo)航與穩(wěn)定技術(shù)。我們將MEMS 技術(shù)在導(dǎo)彈上的應(yīng)用從導(dǎo)彈武器的系統(tǒng)組成角度歸納為以下幾個(gè)方面:安全與引信、目標(biāo)探測(cè)、飛行控制、導(dǎo)航定位、遙測(cè)通信、健康監(jiān)測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制。目前主要成熟的應(yīng)用項(xiàng)目主要有：“抗高過載彈藥先進(jìn)技術(shù)演示驗(yàn)證”（CMATD）項(xiàng)目、“增程制導(dǎo)彈藥”（ERGM）演示驗(yàn)證計(jì)劃、“通用制導(dǎo)慣性測(cè)量裝置”（CGIMU）項(xiàng)目、“微機(jī)電慣測(cè)量裝置”（mmIMU）計(jì)劃。

5.2 航天領(lǐng)域

在航天領(lǐng)域，為保證宇航員安全，保障太空船導(dǎo)航系統(tǒng)在軌正常運(yùn)行，MEMS 加速計(jì)、陀螺儀及其他專用慣性器件已在太空船中應(yīng)用了十年之多。由于MEMS 慣性器件具有良好的抗振性以及很小的SWAP（NASA 對(duì)尺寸、質(zhì)量和功率的簡(jiǎn)稱）的特點(diǎn)，MEMS 慣性器件成為太空勘測(cè)的重要器件?，F(xiàn)在，已經(jīng)有SiTime 公司能夠生產(chǎn)出高性能的MEMS 晶振，其體積是一般石英晶振的1/2，頻率也高達(dá)125MHz。而且該公司正在開發(fā)能集成多個(gè)MEMS 諧振器的芯片的裸片，這樣可以實(shí)現(xiàn)在-100～+100℃正常工作，適合太空勘測(cè)任務(wù)的NASA 超微型軟件定義無線電所需的RF 濾波器組件。

6 未來發(fā)展趨勢(shì)

MEMS 慣性器件是在慣性技術(shù)和微電子加工工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來并結(jié)合而成的，在MEMS 技術(shù)研究中占有非常重要的地位。隨著MEMS 慣性器件性能指標(biāo)不斷提高，集成化程度和信號(hào)檢測(cè)能力不斷加強(qiáng)，工藝和封裝技術(shù)日趨成熟，同時(shí)這些技術(shù)又在不斷相互融合和促進(jìn)，使得技術(shù)正向高精度、數(shù)字化、高可靠性方向發(fā)展，使其應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴(kuò)大。目前，世界各國(guó)正不斷加大對(duì)MEMS 慣性器件的研究力度，同時(shí)對(duì)基于MEMS的MIMU 也異常重視，甚至進(jìn)行了小批量的投產(chǎn)。同樣，MEMS慣性器件技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)也將列為我國(guó)慣性技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在重點(diǎn)發(fā)展的推動(dòng)下其技術(shù)研究取得了較大的進(jìn)步。相信在不久的將來，當(dāng)MEMS 慣性器件技術(shù)性能不斷得到提升和突破，在飛航導(dǎo)彈等軍用武器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)將越來越明顯、前景愈加廣闊，必將對(duì)未來飛行器向小型化、智能化、高可靠性發(fā)展將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)力。

[1]呂志清.微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)與微機(jī)械慣性器件[A].2000年中國(guó)電子學(xué)會(huì)第十一屆電子元件學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2000.280-284.

[2]高鐘毓.微機(jī)械慣性儀表的精度極限[A].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)會(huì)第四屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].1999.128-133.

[3]李榮冰，劉建業(yè)等.基于MEMS 技術(shù)的微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2004.12(6)

[4]王勇.MEMS 技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[J].飛航導(dǎo)彈，2011.5

[5]Wisniowski H.Analog devices introduces world’s first integrated gyroscope，2002-10-01.

[6]Matthews A，Paterson R，Gold-man A，Abbink H，Stewart R.Anew paradigm in guidance，navigation，and control systems based on bulk micromachined inertial sensors.Proceedings of the AIAA Conference on Guidance，Navigation and Control，2000-08:1-12.

[7]祝斌.MEMS 慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國(guó)航天，2010.1.