我設計MEMS陀螺儀的故事

我設計MEMS陀螺儀的故事

Tu Xiang Zheng (塗向真)

 

我的MEMS陀螺儀被美國專利局批準為美國發明專利，專利名稱： Micromachined vertical vibrating gyroscope，專利號：6,736,982，授權日期：Dec 19, 2002。

我設計MEMS陀螺儀，實際上是設計MEMS加速度傳感器的繼續，因為MEMS陀螺儀都是用來監測和控製運動的傳感器，對於複雜的運動，必須有這兩種傳感器同時配合使用。比如說，用於控製機器人的姿態，是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？在這裏既有直線運動，又有旋轉運動，陀螺儀用來測量旋轉運動的速度，加速度傳感器用來測量直線運動的速度，都得派上用場。

讓我下決心設計MEMS陀螺儀的事，是一家台灣公司邀請我參加購買美國福特微電子公司的MEMS生產線的談判。

1998年，這家邀請我參加談判的台灣公司接受我的美國專利的轉讓，要組建一家新的MEMS公司，專門從事MEMS產品的製造。籌建公司的辦公室設在南投草屯的一家電器公司裏，負責處理包括購買設備在內的所有事務。

我從加拿大搬到美國的舊金山後，他們就托我在美國尋找拍賣的MEMS生產線。通過上網搜索，找到了設在矽穀的一家二手半導體設備公司。公司的經理是越南移民，名字叫突栗，他接待我很熱忱，談完生意後請我吃飯，還把我領到他家作客。

談了幾次後，突栗和我成了朋友。他是隨他父親來美國的，他的父親是前南越將軍，幫助美國與北越作戰。美國在越南戰敗，被迫撤離越南，撤離時帶走一批南越軍政人員及其家屬，其中就有突栗一家。突栗的家在San Jose的郊區，住的房子很豪華，他的太太也是越南人，有兩個女兒，看來是個很幸福的家庭。

大概過了三個多月，突栗打電話告訴我，有一家公司出賣整條MEMS生產線，我要他把資料傳給我。我收到資料後，立即轉給台灣的籌建辦公室。一個月後，籌建辦公室來了二位負責人，在舊金山與我和突栗會合，轉機去科羅拉多州的科羅拉多斯普林斯。我們一行四人先從舊金山到科羅拉多的丹佛，再從丹佛轉機去科羅拉多斯普林斯，總共花了四個多小時。

科羅拉多斯普林斯是科羅拉多州的第二大城市，附近有馬尼圖斯普林斯礦泉及派克斯峰等名勝，為美國最著名的旅遊療養地之一，是美加聯合防空組織北美空防聯合司令部和空軍軍官學校所在地。

我們在機場租了一部車，由突栗開車直奔預訂好的假日酒店。這時正值冬天的黃昏時分，車外是寒風凜冽，滴水成冰。我從舊金山穿的衣服已經不足以抵禦此地的寒冷，凍得有點哆哆嗦嗦。突栗打開暖氣，車內慢慢暖和起來，台灣來的二位負責人和我聊起來，他們說，他們很重視MEMS這個項目，政府很支持，資金不成問題，要我放心與他們合作。

第二天，我們開車去那家出賣生產線的公司。這家公司稱作福特微電子公司，是福特汽車公司的子公司。公司座落在科羅拉多的大草原上，周圍除了零星的幾座建築物外，幾乎是一望無際的草原。據說，這裏本是軍營，軍隊撤走後，才改成民用。

我們與福特微電子公司進行了談判，談了三次，最後成交。在談判過程中，有一個問題一直在我腦海中縈回。這家公司是為它母公司生產車用MEMS加速度傳感器的，可是母公司不用他們的產品，反而用另外一家公司的產品。

後來，我了解到，MEMS加速度傳感器已經被一家MEMS公司搶占先機了，這家公司的產品性能好，價格底，其它的生產MEMS加速度傳感器的公司無法與其競爭，都紛紛放棄生產這種產品。

顯然，我設計的MEMS加速度傳感器已經麵臨著很大的壓力。如果繼續走開發的路，將專利轉化為產品，我能與這家獨領風騷的公司抗衡嗎？

台灣的公司有了MEMS生產線後，就在新竹科學園正式成立MEMS公司，我被邀請當高級技術顧問，負責指導開發MEMS產品。有一次，公司安排我與台灣清華大學的教授進行學術交流，其中有位教授是陀螺儀專家。這位專家從大陸來，是我的前輩，對大陸的陀螺儀研發貢獻很大。不過，他做的陀螺儀是機械式的，很早就廣泛用於航空和航天事業。他知道我研究的是MEMS，就鼓勵我開發MEMS陀螺儀，並說，這是千載難逢的好機會，要抓緊，不要錯過。這位專家的話讓我非常感動，我對他說，我會努力的，爭奪在MEMS陀螺儀上有所作為。

回到美國後開始陀螺儀的文獻調查，為此，我要經常去加州伯克利大學的圖書館。舊金山的地鐵修建得四通八達，伸展到灣區每一個角落，包括伯克利大學。我的舊金山公寓離Embarcadero的地鐵站很近，走五分鍾的路就到了。舊金山地鐵車廂伯克利大學內幹淨整潔，寬敞又文明，車次頻密而又準時。裏麵很空，進去就有座。地鐵穿過舊金山北部海灣後，就開到地麵上來，可以看到兩邊的草地，樹木和房舍，就象坐在通常的火車裏一樣。

二十多分鍾後，地鐵再回到地下，出站就是伯克利。伯克利大學雖然是一所數一數二的名校，並不會給人一種高傲和嚴肅的感覺。相反的，校園充滿著親切友善的氣氛，讓人覺得它比較像一個平易近人的老師，一個滿腦袋都是新鮮點子的好朋友。大學圖書館很大，我要去的是電機電子係的圖書館，設在教學大樓旁邊，進去不需要任何證件，任何人都免費使用館內所有的圖書資源。

我查閱了一個多月的文獻，設計的思路終於理清了，設計的MEMS陀螺儀藍圖也出來了。MEMS陀螺儀與傳統的陀螺儀的工作原理不同，傳統的陀螺儀主要是利用角動量守恒原理，因此它主要是一個不停轉動的物體，它的轉軸指向不隨承載它的支架的旋轉而變化。而MEMS陀螺儀的工作原理不是這樣的，因為要用微機械技術在矽片襯底上加工出一個可轉動的結構可不是一件容易的事。MEMS陀螺儀利用科裏奧利力，即旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。

到過北京天文館的人，都知道傅科擺，它就掛在天文館的大廳裏。這個傅科擺就是讓人感覺到科裏奧利力的存在。擺動可以看作一種往複的直線運動，在地球上的擺動會受到地球自轉的影響。隻要擺麵方向與地球自轉的角速度方向存在一定的夾角，擺麵就會受到科裏奧利力的影響，而產生一個與地球自轉方向相反的扭矩，從而使得擺麵發生轉動。這個現象是1851年由法國物理學家傅科首先預言，並且以實驗證明了這種現象，實驗被命名為傅科擺實驗。

通俗說來，我要設計一種MEMS器件，當有旋轉運動發生時，能測出產生的科裏奧利力，按照測出的力的大小換算成旋轉運動的速度。我最終成功地設計出MEMS陀螺儀，並且取得美國發明專利。

與傳統的陀螺儀相比，MEMS陀螺儀相比傳統的陀螺儀有明顯的優勢：體積小、重量輕。適合於對安裝空間和重量要求苛刻的場合，例如彈載測量等；低成本；高可靠性，內部無轉動部件，全固態裝置，抗大過載衝擊，工作壽命長；低功耗；大量程。適於高轉速大g值的場合；易於數字化、智能化。可數字輸出，溫度補償，零位校正等。現在廣泛使用的MEMS陀螺儀可應用於航空，航天，航海，兵器，汽車，生物醫學，環境監控等領域。