MEMS单轴陀螺仪制造商

要点**产品：**用于惯性仪器的MEMS陀螺仪**特征：**– **材料：**金属合金、功能材料、有机聚合物、无机非金属– **稳定性影响因素：** 微观缺陷、晶粒尺寸、质地、内应力– **环境影响：**过载、振动和温度循环会影响性能– **微观结构调控：**采用SiC/Al复合材料降低位错密度并提高强度**优势：** 增强长期精度和稳定性，定制的微观结构控制确保在各种条件下的可靠性，这对航空航天和精密测井应用至关重要。近年来，随着石油测井、航空航天、矿业、测绘等领域的快速发展，对MEMS陀螺仪等精密仪器的精度和长期稳定性提出了越来越高的要求。研究表明，材料的尺寸不稳定性是导致惯性仪器精度和稳定性差的主要原因之一。尺寸稳定性不同于热膨胀或热循环性能，它是精密机械零件材料的主要性能指标，指的是零件在特定环境下保持其原始尺寸和形状的能力。基于MEMS陀螺仪的惯性仪器材料惯性仪器的部件材料主要分为四类：一是金属（如铝及铝合金、不锈钢、铜及铜合金、钛合金、铍、金等）及其复合材料；二是功能材料（如铁镍软磁合金、钐钴硬磁合金、铝镍钴硬磁合金等）；三是有机聚合物（如聚四氟乙烯、橡胶、环氧树脂等）；四是无机非金属（如石英玻璃、可加工陶瓷等），其中用量最大的是金属及其复合材料。近年来，我们在高精度加工制造和低应力/无应力装配技术方面取得了突破，但我们仍然发现仪器交付后精度会缓慢漂移，无法实现长期稳定性。事实上，在结构设计、零件加工和装配工艺确定之后，仪器精度的长期稳定性取决于材料的固有特性。材料的固有特性（例如微观缺陷、第二相、晶粒尺寸、织构等）直接影响材料的尺寸稳定性。此外，仪器材料在与外部环境（应力场、温度场和时间等）相互作用下也会发生不可逆的尺寸变化。图1展示了惯性仪器的精度与使用条件、材料微观结构和尺寸变化之间的关系。以MEMS陀螺仪为例，其工作条件和存储环境都会影响材料的尺寸稳定性。即使MEMS陀螺仪配备了温度控制系统，如果材料本身的微观结构不稳定，存在亚稳态第二相，或者在组装过程中存在宏观/微观残余应力，仪器的精度也会出现漂移。图1 惯性仪器的精度、使用条件、微观结构和尺寸变化之间的关系影响物质变化的因素MEMS陀螺仪材料的固有特性主要包括微观缺陷、第二相、晶粒、织构和内应力等。外部环境因素主要与这些固有特性相互作用，导致尺寸变化。1. 微观缺陷的密度和形态金属和合金中的微观缺陷包括空位、位错、孪晶和晶界等。位错是最典型的微观缺陷形式，指的是由规则排列的晶体中原子不规则排列形成的缺陷，例如刃型位错的半原子面缺失或增大。由于位错会在理想晶体中引入自由体积，因此会导致材料尺寸发生变化，如图2所示。然而，在原子数量相同的情况下，位错的存在会使原子周围出现自由体积，这反映在合金尺寸的增大上。图2 材料中微观缺陷密度对材料尺寸影响的示意图2. 颗粒和质地对稳定性的影响推导出金属或合金在外加应力σ下的应变ε与材料的晶粒尺寸d、可移动位错密度ρ、第一个位错开始运动所需的应力σ0以及材料的剪切模量G之间的关系：从公式可以看出，晶粒细化可以减少产生的应变，这也是稳定化过程中微观结构调控的指导方向。此外，在实际生产中，使用挤压棒材和轧制板材加工精密仪器零件时，也需要注意材料的各向异性，如图3所示。以用于机械陀螺仪框架的2024铝合金为例，图3(a)中的框架通常采用挤压2024铝合金棒材。由于较大的塑性变形，晶粒会呈现择优取向形成织构，如图3(b)和(c)所示。织构是指多晶材料的晶体取向与随机分布存在显著偏差的状态。图3 机械陀螺仪框架用2024铝合金棒的微观结构文章中的产品3. 环境对材料尺寸稳定性的影响 通常，惯性仪器需要在过载、振动冲击和温度循环等条件下保持长期的精度稳定性，这对材料的微观结构和性能提出了更高的稳定性要求。以仪器级SiC/2024Al复合材料为例，通过在惯性仪器结构制造过程中进行稳定化处理，实现了长期的尺寸稳定性。结果表明，SiC/纯铝复合材料（仅受内应力影响）恒温保鲜工艺引起的尺寸变化幅度（~1.5×10⁻⁴）大于铝合金（仅受时效析出影响）恒温保鲜工艺引起的尺寸变化幅度（~-0.8×10⁻⁴）。如图4所示，当基体变为铝合金时，复合材料内应力对尺寸变化的影响将进一步放大。此外，在不同的服役环境下，同一种材料的内应力变化趋势不同，甚至会出现相反的尺寸变化趋势。例如，SiC/2024Al复合材料在190℃恒温下产生压缩应力释放，尺寸增大；而在-196~190℃的500次冷热冲击下产生拉伸应力释放，尺寸减小。因此，在设计和使用铝基复合材料时，必须充分验证其使用温度载荷、初始应力状态和基体材料类型。目前，基于应力稳定的工艺设计思路是通过在其使用温度范围内进行冷热冲击处理，释放内应力，在复合材料内部形成大量稳定的位错结构，并促进大量二次析出。图4 铝合金和复合材料在恒温老化过程中的尺寸变化提高部件尺寸稳定性的措施1. 微缺陷的调控与优化选择新的材料体系是控制微缺陷的有效方法。例如，使用仪器级SiC/Al复合材料，通过SiC陶瓷颗粒钉扎铝基体中的位错，降低可移动位错的密度，或改变金属中的缺陷类型。以SiC/Al复合材料为例，研究表明，当复合材料中陶瓷颗粒的平均间距减小到250 nm时，可以制备出具有层状缺陷的复合材料，并且如图5所示，具有层状缺陷的复合材料的弹性极限比不具有层状缺陷的复合材料高50%。图5 两种复合材料的形貌需要指出的是，在制定组织控制工艺路线时，还需结合惯性仪器的使用环境的应力条件和工作温度范围，选择合适的材料体系以及冷热冲击工艺参数。过去，材料体系和工艺参数的选择主要依赖于经验和大量的性能数据，由于缺乏微观结构支撑，导致工艺设计的理论基础不足。近年来，随着分析测试技术的不断发展，利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等手段，可以对微观缺陷密度和形貌进行定量或半定量评估，这为材料体系优化和工艺筛选提供了技术支持。 2. 调节颗粒大小和质地 织构对尺寸稳定性的影响在于其各向异性，正是这种各向异性导致了尺寸变化。如前所述，MEMS陀螺仪框架在轴向和径向方向上对垂直精度有着极其严格的要求，加工误差必须控制在微米量级，以避免造成MEMS陀螺仪的质心偏移。因此，对2024铝合金挤压棒材进行了变形热处理。图6展示了2024铝合金挤压棒材经40%轴向压缩变形后的金相照片以及热变形前后的显微组织照片。变形热处理前，轴向晶粒尺寸难以计算；变形热处理后，棒材边缘晶粒的等轴度为0.98，晶粒等轴度显著提高。此外，从图中还可以看出，原始样品轴向和径向变形阻力之差仅为111.63MPa，表明其具有较强的各向异性。经过变形热处理后，轴向和径向小变形阻力值分别为163 MPa和149 MPa。与原始样品相比，轴向和径向小变形阻力的比值由变形热处理前的2.3变为1.1，表明变形热处理后材料的各向异性得到了更好的消除。图6 铝合金棒材各向同性处理、微观结构变化及性能测试示意图因此，当必须使用铝合金棒材或板材加工惯性仪器部件时，建议增加变形热处理环节，消除织构，获得各向同性组织，避免变形各向异性。织构的统计信息可通过扫描电镜（SEM）中的电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）中的热重衍射（TKD）或三维X射线衍射（XRD）获得，并可对织构变化进行定量分析。结论鉴于惯性仪器长期精度稳定性的迫切需求，本文从材料科学的角度系统地回顾了尺寸稳定性的影响，并提出了从材料固有特性出发提高惯性仪器长期精度稳定性的方法。NF-1000采用LCC陶瓷封装，是基于MG-502的升级版寻北MEMS陀螺仪，其测量范围已从50-100°/s提升至500°/s，取得了里程碑式的进步。材料对于惯性仪器的长期稳定性至关重要，也是其发挥最佳性能的基础。 希望通过本文，您能了解MEMS陀螺仪的相关知识；想了解更多信息，可以阅读相关产品和文章。 MG502Mg-502 高精度 MEMS 单轴陀螺仪