Высокоточные гироскопы MEMS: Принципы, производственные процессы и промышленная цепочка
2025-12-15
Гироскопы MEMS используют силу Кориолиса для измерения угловой скорости, реализуемой с помощью технологий изготовления MEMS. Обычно колебание массового блока приводится электростатикой с помощью гребенчатого конденсатора. Угловая скорость вызывает смещение массового блока в другом направлении, которое регистрируется емкостным датчиком для расчета угловой скорости. Гироскопы MEMS в основном являются резонансными типами и состоят из таких ключевых компонентов, как опорная рама, резонансная масса и блоки возбуждения и измерения. Их режимы работы делятся на режим привода и режим обнаружения, причем рабочие состояния, контроль стабильности и последующая обработка сигналов для обоих режимов требуют реализации с помощью периферийных схем. В настоящее время электростатический привод является преобладающим методом возбуждения для большинства гироскопов MEMS, в то время как методы обнаружения включают электромагнитное зондирование, емкостное зондирование, пьезоэлектрическое зондирование и пьезорезистивное зондирование.
Стабильность нулевого смещения служит основным показателем для оценки характеристик гироскопа. Она количественно определяет дисперсность выходных значений гироскопа вокруг их среднего значения в течение рабочего цикла, когда входное значение угловой скорости равно нулю. Более низкое значение указывает на более высокую производительность. На основе этого показателя гироскопы подразделяются на потребительские, тактические, навигационные и стратегические. Современные гироскопы MEMS могут достигать уровня точности навигационных гироскопов. Благодаря своим компактным размерам, легкому весу, низкому энергопотреблению и экономичности, гироскопы MEMS получили широкое применение в бытовой электронике. С развитием технологий высокоточные гироскопы MEMS имеют значительный потенциал для расширения применения в промышленных приложениях, коммерческой аэрокосмической отрасли, коммерческой морской навигации и оборонном секторе.
Сложные микромеханические системы в датчиках MEMS требуют тесной интеграции между проектированием чипов и разработкой процессов. С одной стороны, существующие технологические процессы в значительной степени диктуют подходы к проектированию чипов; с другой стороны, стратегии проектирования чипов требуют реорганизации и отладки модулей производственного процесса. Следовательно, предприятия, занимающиеся исследованиями и разработками в области MEMS-датчиков, должны одновременно развивать как чиповые, так и технологические процессы. В рамках технологических процессов производства MEMS-гироскопов структуры SOI постепенно становятся основной технологией изготовления MEMS-устройств, в то время как ASIC обычно используют CMOS-процессы. MEMS-устройства обычно используют упаковку на уровне пластин, В то же время интеграция CMOS, MEMS и других устройств развивается в направлении технологии 3D-интеграции. Этот подход заменяет длинные двумерные соединения более короткими вертикальными, тем самым снижая паразитные эффекты системы и энергопотребление. Он также позволяет достичь высокой плотности соединений при минимальном объеме и отличных электрических характеристиках.
