电子产品世界

LN-200 1MU采用SiACTM微机械加速度计，自1994年来一直高产。LN-200已广泛用于空间姿态稳定、导弹制导、雷达稳定装置等。已成功地应用于AGM-142空地导弹、BQM-74E亚声速靶机、兰天机载吊仓式光电系统、全球鹰无人机及先进中距空空导弹等武器平合上。

德国Litef公司B-290硅加速度计如图2所示，摆片采用4次双面掩膜，面积为6mm x 6mm，在KOH溶液中控制硅片刻蚀时间，电路采用脉冲调宽、数字输出、闭环控制方案。量程为10g，标度因数稳定性达到3x10的-4次方，偏置稳定性为250ug，B-290硅加速度计已经于1995年与光纤陀螺组合成1MU。

2.3 MEMS陀螺仪发展现状

硅微陀螺仪是以微机械工艺为基础制作的惯性仪表，与传统惯性元件相比，具有体积小、质量轻、功耗小、成本低、易集成、抗过载能力强和可批量生产等特点。

微机械陀螺的研究始于20世纪80年代.1985年，Drape实验室首先开始研制微机械陀螺，先后采用框架式角振动方案、音叉式线振动方案及振动轮式方案。

2002年，ADI公司研制成功世界上第1个单片集成的商用陀螺仪产品ADXRS，它将敏感质量块限制在多品硅框架内，使其只能沿个方向振动。检测电极用来检测由哥氏力引起的振动位移.该芯片同时将检侧电路与敏感结构集成在一起，一方面大大减少了嗓声信号的影响，同时减小了芯片的体积和功耗，此类陀螺仪主耍针对工业传感领域。加州大学伯克利分校于20世纪90年代中期率先开始研究双输入轴微机械陀螺仪.初期研制的陀螺仪检测质量块为直径300um，厚2um的多晶硅圆盘。支撑件为4根由圆盘外侧向外延伸的弹性梁。圆盘周围有12对梳齿，分别作静电驱动和驱动检测之用。该陀螺仪采用表面微加工工艺加工。与超大规模集成电路工艺兼容。在7.89Pa的真空环境下，该陀螺仪驱动模态品质因数为960。开环试脸表明，当驱动模态与检测模态的自然频率相差1.4%时，随机游走为10 P/h。经改进的陀螺仪由Sandia国家实验室加工。目前已与Z轴陀螺仪和三轴加速度计一起构成单片IMU。

采用和IC工艺兼容的MEMS工艺，实现的六自由度惯性传感器系统如图3所示，最大尺寸方向小于10mm。加速度计分辨率小于1mg,陀螺仪分辨率小于1P/s。由于实现了单片集成，有效减小体积、功耗，同时降低成本。

针对导航和制导领域应用要求，Litton公司于1996年开始微机械陀螺仪SiCyTM的研制，2003年SiCyTM实现1P/h-10P/h，用于LN-3001MU。喷气推进实验室研制的四叶式硅陀螺，采用体加工技术和超精密机械加工,最后经微组装工艺装配。体积为73.8 立方cm，功耗1w，2002年中期时零偏稳定性已达到1P/h,目标是应用于微小卫星的导航控制。

同时日本、澳大利亚、加拿大等国家部开展了基于MEMS惯性仪表技术的研究工作。

3 MEMS应用优势

MEMS技术发展迅速，特点突出，应用前景良好.主要体现在以下几个方面：

1)体积越来越小，精度越来越高，设计方案呈多样化。

例如MEMS陀螺先后经历振动框架式、谐振音叉式、振动轮式、振环陀螺、四叶式等形式，陀螺漂移10 P/h.硅微加速度计先后经历叉指式、三明治式、谐振梁式等技术方案，零偏和标度因素由10 mg达到2005年的20ug. ADI公司成功研制的微小型双轴加速度计体积仅为5 mm x 5 mm x l .45 mm,质量小于Ig。硅微陀螺ADXRS系列产品尺寸为7mm x 7mm x 3mm,质量小于1g。技术方案的不断创新，从工作机理上减少了误差源，提高了精度。

2) 工艺和封装技术日趋成熟

MEMS艺主要包括:面加工技术，体加工技术，基于绝缘基体硅工艺等等。面加工技术主要是基片上淀积或生长多晶硅层来制造微机械结钩。体加工技术的基础是单晶硅刻蚀技术，中间层的硅微机械结构经过多次掩膜、双面光刻以及各向异性刻蚀而成，然后与上下层精密键合成一个整体。S01工艺结合前两者的优势，它可以得到高质量的单品硅独立结构，同时保留面加工。具有尺寸小、与IC工艺兼容、价格低的批量生产优点。目前，上述3类工艺工序操作和控制都得到了发展和提高，完善了微敏感结构工艺工序的膜厚、线宽以及内应力的检测，微结构高深宽比的三维尺寸加工精度能够得到较好的保证，全硅敏感结构工艺正在开发和完善。

3) 工程应用领域不断拓展，成功案例越来越多。

MEMS技术正在不断融合，向提高精度、数字化、高可靠性方向发展，成功的应用案例非常多。例如，ADM公司研制的表面工艺的MEMS惯性器件大量应用于民用和工业传感领域，产品销量己经达到几亿只，每只售价仅几十美元。可广泛用于姿态稳定系统以及短距离的战术武器制导，还可以和全球定位系统(GPS)组合构成导航系统，如Litton公司研制的体硅工艺的MEMS惯性器件LN300已经装备15000套。

4)为冗余控制、精确控制设计与实现奠定基础。

传统飞行器上的控制系统姿态敏感和调控设备因为体积大，能耗大，多设备冗余设计只能通过增大飞行器体积，牺牲飞行器速度或有效航程为代价:惯导、陀操仪、加速度计等姿态测量器件也不可能在飞行器上大范围内布放。MEMS为基础的器件则不同，因为体积、质量、能耗、精度各方面的综合性能优越，为其在飞行载体上的大量使用奠定了基础，飞行器上控制系统实现二级冗余、三级冗余乃至N级独立的冗余控制方案的设计和实现提供了现实基础;还可以通过多点布放，将飞行器姿态的测量由传统的局限式的点式测量，可以拓展到网络式的面基测量或三维体式测量，为探索和应用新的测量方法，提高测量精度提供了有力的支撑。

关键词： 优势 应用 发展 技术 MEMS