我设计MEMS陀螺仪的故事

我设计MEMS陀螺仪的故事

Tu Xiang Zheng (涂向真)

我的MEMS陀螺仪被美国专利局批准为美国发明专利，专利名称： Micromachined vertical vibrating gyroscope，专利号：6,736,982，授权日期：Dec 19, 2002。

我设计MEMS陀螺仪，实际上是设计MEMS加速度传感器的继续，因为MEMS陀螺仪都是用来监测和控制运动的传感器，对于复杂的运动，必须有这两种传感器同时配合使用。比如说，用于控制机器人的姿态，是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？在这里既有直线运动，又有旋转运动，陀螺仪用来测量旋转运动的速度，加速度传感器用来测量直线运动的速度，都得派上用场。

让我下决心设计MEMS陀螺仪的事，是一家台湾公司邀请我参加购买美国福特微电子公司的MEMS生产线的谈判。

1998年，这家邀请我参加谈判的台湾公司接受我的美国专利的转让，要组建一家新的MEMS公司，专门从事MEMS产品的制造。筹建公司的办公室设在南投草屯的一家电器公司里，负责处理包括购买设备在内的所有事务。

我从加拿大搬到美国的旧金山后，他们就托我在美国寻找拍卖的MEMS生产线。通过上网搜索，找到了设在硅谷的一家二手半导体设备公司。公司的经理是越南移民，名字叫突栗，他接待我很热忱，谈完生意后请我吃饭，还把我领到他家作客。

谈了几次后，突栗和我成了朋友。他是随他父亲来美国的，他的父亲是前南越将军，帮助美国与北越作战。美国在越南战败，被迫撤离越南，撤离时带走一批南越军政人员及其家属，其中就有突栗一家。突栗的家在San Jose的郊区，住的房子很豪华，他的太太也是越南人，有两个女儿，看来是个很幸福的家庭。

大概过了三个多月，突栗打电话告诉我，有一家公司出卖整条MEMS生产线，我要他把资料传给我。我收到资料后，立即转给台湾的筹建办公室。一个月后，筹建办公室来了二位负责人，在旧金山与我和突栗会合，转机去科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯。我们一行四人先从旧金山到科罗拉多的丹佛，再从丹佛转机去科罗拉多斯普林斯，总共花了四个多小时。

科罗拉多斯普林斯是科罗拉多州的第二大城市，附近有马尼图斯普林斯矿泉及派克斯峰等名胜，为美国最著名的旅游疗养地之一，是美加联合防空组织北美空防联合司令部和空军军官学校所在地。

我们在机场租了一部车，由突栗开车直奔预订好的假日酒店。这时正值冬天的黄昏时分，车外是寒风凛冽，滴水成冰。我从旧金山穿的衣服已经不足以抵御此地的寒冷，冻得有点哆哆嗦嗦。突栗打开暖气，车内慢慢暖和起来，台湾来的二位负责人和我聊起来，他们说，他们很重视MEMS这个项目，政府很支持，资金不成问题，要我放心与他们合作。

第二天，我们开车去那家出卖生产线的公司。这家公司称作福特微电子公司，是福特汽车公司的子公司。公司座落在科罗拉多的大草原上，周围除了零星的几座建筑物外，几乎是一望无际的草原。据说，这里本是军营，军队撤走后，才改成民用。

我们与福特微电子公司进行了谈判，谈了三次，最后成交。在谈判过程中，有一个问题一直在我脑海中萦回。这家公司是为它母公司生产车用MEMS加速度传感器的，可是母公司不用他们的产品，反而用另外一家公司的产品。

后来，我了解到，MEMS加速度传感器已经被一家MEMS公司抢占先机了，这家公司的产品性能好，价格底，其它的生产MEMS加速度传感器的公司无法与其竞争，都纷纷放弃生产这种产品。

显然，我设计的MEMS加速度传感器已经面临着很大的压力。如果继续走开发的路，将专利转化为产品，我能与这家独领风骚的公司抗衡吗？

台湾的公司有了MEMS生产线后，就在新竹科学园正式成立MEMS公司，我被邀请当高级技术顾问，负责指导开发MEMS产品。有一次，公司安排我与台湾清华大学的教授进行学术交流，其中有位教授是陀螺仪专家。这位专家从大陆来，是我的前辈，对大陆的陀螺仪研发贡献很大。不过，他做的陀螺仪是机械式的，很早就广泛用于航空和航天事业。他知道我研究的是MEMS，就鼓励我开发MEMS陀螺仪，并说，这是千载难逢的好机会，要抓紧，不要错过。这位专家的话让我非常感动，我对他说，我会努力的，争夺在MEMS陀螺仪上有所作为。

回到美国后开始陀螺仪的文献调查，为此，我要经常去加州伯克利大学的图书馆。旧金山的地铁修建得四通八达，伸展到湾区每一个角落，包括伯克利大学。我的旧金山公寓离Embarcadero的地铁站很近，走五分钟的路就到了。旧金山地铁车厢伯克利大学内干净整洁，宽敞又文明，车次频密而又准时。里面很空，进去就有座。地铁穿过旧金山北部海湾后，就开到地面上来，可以看到两边的草地，树木和房舍，就象坐在通常的火车里一样。

二十多分钟后，地铁再回到地下，出站就是伯克利。伯克利大学虽然是一所数一数二的名校，并不会给人一种高傲和严肃的感觉。相反的，校园充满着亲切友善的气氛，让人觉得它比较像一个平易近人的老师，一个满脑袋都是新鲜点子的好朋友。大学图书馆很大，我要去的是电机电子系的图书馆，设在教学大楼旁边，进去不需要任何证件，任何人都免费使用馆内所有的图书资源。

我查阅了一个多月的文献，设计的思路终于理清了，设计的MEMS陀螺仪蓝图也出来了。MEMS陀螺仪与传统的陀螺仪的工作原理不同，传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。而MEMS陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。MEMS陀螺仪利用科里奥利力，即旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。

到过北京天文馆的人，都知道傅科摆，它就挂在天文馆的大厅里。这个傅科摆就是让人感觉到科里奥利力的存在。摆动可以看作一种往复的直线运动，在地球上的摆动会受到地球自转的影响。只要摆面方向与地球自转的角速度方向存在一定的夹角，摆面就会受到科里奥利力的影响，而产生一个与地球自转方向相反的扭矩，从而使得摆面发生转动。这个现象是1851年由法国物理学家傅科首先预言，并且以实验证明了这种现象，实验被命名为傅科摆实验。

通俗说来，我要设计一种MEMS器件，当有旋转运动发生时，能测出产生的科里奥利力，按照测出的力的大小换算成旋转运动的速度。我最终成功地设计出MEMS陀螺仪，并且取得美国发明专利。

与传统的陀螺仪相比，MEMS陀螺仪相比传统的陀螺仪有明显的优势：体积小、重量轻。适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合，例如弹载测量等；低成本；高可靠性，内部无转动部件，全固态装置，抗大过载冲击，工作寿命长；低功耗；大量程。适于高转速大g值的场合；易于数字化、智能化。可数字输出，温度补偿，零位校正等。现在广泛使用的MEMS陀螺仪可应用于航空，航天，航海，兵器，汽车，生物医学，环境监控等领域。