1、第 1 页 共 32 页 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 引言引言 1.1.1 硅微机械陀螺仪的背景 微机械陀螺仪是基于微机械加工制造技术产生的高技术产品， 是当代微机械电 子系统（MEMS）领域和惯性领域新兴的重要的分支，而 MEMS 及其制造技术是在微 电子工艺的基础上发展起来的 的前沿研究领域，它涉及到电子工程、机械工程、 材料科学、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和学科。它是未来低成本、 高精度、微尺寸、低功耗、抗高过载、高可靠性惯性测量原件的发展方向。它不仅 用于武器装备的惯性导航系统和姿态测量系统等军事领域，同时还可以用于 、飞 机、汽车、工业机器人、摄影、玩具、医疗器械的
2、方向定位和姿态测量等民用商业 领域。 开展这一领域的研究工作， 可以加速和促进我国对新型惯性测量原件的应用， 这在高技术日益发展的今天有十分重要的研究意义。 用微机电系统惯性制导和控制 代替常规系统，特别是与 GPS 集合使用时，可提供精确度。针对这一背景，对硅微 机械陀螺的研究具有深远的战略意义 1。 1.1.2 硅微机械陀螺仪的现状 微机械陀螺是 21 世纪微纳米高科技领域中为电子系统（MEMS）最具有代表性 的惯性期间，世界许多国家都在开展积极研发。硅材料结构完整、弹性好、比较容 易得到高 Q 值（Q 值是衡量电感器件的主要参数，是指电感器在某一频率的交流电 压下工作时，所呈现的感抗与其
3、等效损耗电阻之比，电感器的 Q 值越高，其损耗越 小，效率越高， 电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质 损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关）的微机械结构，随着深反应离子刻蚀技 术的出现，体硅微机械加工技术的加工精度明显提高，在硅衬底上用多品硅制作期 间适宜批量生产、驱动和检测较为方便，成为当前低成本研发的主流 2。1988 年， 美国 Draper lab 实验室研制出第一台框架式角振动微机电陀螺仪，1933 年又研制 出性能更佳的音叉式线振动陀螺仪，其引起世界各国的高度重视，纷纷投入财力物 第 2 页 共 32 页 力开发研究。俄国莫斯科 Vector Ltd 正在研制
4、精密的微机械陀螺，已经论证和仿 真实验。英国 Newscast 大学和 Durham 大学合作，研究出了 振动模式硅微机械陀 螺。经过十多年的努力，目前在技术上已经取得巨大进展，正在向中、高精度发展。 硅微机械陀螺的结构常用的有振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结 构、梳妆音叉结构、梁岛结构等，驱动方式有静电驱动，压电驱动和电磁驱动等， 检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测。静电驱动、 检测的陀螺设计较为常 见，美国 ADI 公司已研制出了单片集成的梳妆静电驱动、叉指式电容检测的硅微机 械陀螺 ADXRS 系列，该脱落可用于集成 GPS 系统的惯性测量组合 3。微机电陀螺是 近年来出现的新技术， 它是随着陀螺技术的发展趋势。 随着微机械加工技术的发展， 惯性仪表的各方面性能将迅速大幅度提高， 并将在更广泛的领域内代替传统的惯性 仪表。 我国起步比较晚，目前在清华大学、北京大学、复旦大学、东南大学、中国科 技大学、中北大学等高校，以及中科院、航天部、信息产业部等研究单位均开展通 用硅微机械陀螺的研制，已在理论和加工工艺上取得巨大成果。10 多年来研究队 伍逐渐
