微機(jī)械陀螺儀設(shè)計(jì)與研究

李凌宇，盧 翌，陳 興，許高斌

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥230009)

微機(jī)械陀螺儀屬于一種振動(dòng)式角速率傳感器，用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度或旋轉(zhuǎn)角，作為重要的慣性器件，具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、可靠性好、穩(wěn)定性高、功耗低、精度高、性能優(yōu)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、航空航天、汽車和消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用［1］。

目前，各個(gè)國(guó)家MEMS陀螺儀的研究進(jìn)展參差不齊，其中原因不僅有國(guó)家和地方的投入不夠，且該類研究人員較為缺乏，重點(diǎn)是MEMS陀螺儀涉及的領(lǐng)域廣泛，研究難點(diǎn)較多。MEMS陀螺儀的研究難點(diǎn)主要在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造、封裝技術(shù)和性能、成品率、成本等方面。

1 制約MEMS陀螺儀發(fā)展的因素

1.1 漂移誤差

目前，硅微陀螺性能較低，只能接近或達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)導(dǎo)航水平。如何降低硅微陀螺的漂移誤差，尤其是其中的隨機(jī)漂移誤差，成為提高硅微陀螺性能的關(guān)鍵。

由于微機(jī)械理論和技術(shù)的不完善，與傳統(tǒng)的慣性器件相比，MEMS陀螺儀的精度低1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。其中漂移是其主要的誤差源之一。從物理意義和誤差來(lái)源常將MEMS陀螺儀漂移分為常值漂移、角度隨機(jī)游走、速率隨機(jī)游走、量化噪聲和速率斜坡等。從宏觀上漂移又分為確定部分和隨機(jī)部分，其中確定部分包括常值漂移和斜坡分量。該部分是有規(guī)律的，若補(bǔ)償完善，可使有規(guī)律部分基本上不影響陀螺儀使用精度。消除確定部分剩下的是隨機(jī)部分，認(rèn)為是噪聲，實(shí)時(shí)補(bǔ)償對(duì)隨機(jī)噪聲無(wú)能為力，一般采用時(shí)間序列分析法對(duì)零漂數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，并使用卡爾曼濾波算法減小MEMS陀螺儀隨機(jī)噪聲的影響。因此，實(shí)際中要盡可能多地標(biāo)定其確定部分，減少隨機(jī)部分。

表面工藝面硅和體硅微陀螺儀短時(shí)漂移，無(wú)論采樣頻率高低，仍出現(xiàn)頻率繁雜、功率值不夠顯著的特點(diǎn)，故時(shí)域信號(hào)近似為隨機(jī)過(guò)程。此外，溫度對(duì)慣性器件性能的影響較大，主要表現(xiàn)在零偏隨溫度變化有較大的漂移。MEMS陀螺儀的零偏隨時(shí)間、環(huán)境溫度等因素影響，并帶有極大的隨機(jī)性。

1.2 精度

MEMS陀螺儀精度的難點(diǎn)之一是其靈敏度的提高，而MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響靈敏度。如導(dǎo)彈的射擊精度由慣導(dǎo)系統(tǒng)(INS)的精度決定，而慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度、成本主要決定于慣性儀表(陀螺儀和加速度計(jì))的精度和成本，尤其是陀螺儀的漂移隨慣性系統(tǒng)位置誤差增長(zhǎng)的影響是時(shí)間的三次方函數(shù)。但制造高精度陀螺儀不但技術(shù)難，且成本高。因此慣性界一直尋求各種有效方法以提高陀螺儀的精度，降低慣導(dǎo)系統(tǒng)的成本。

目前所能加工和生產(chǎn)出的MEMS陀螺儀，其精度尚處于中低水平。由于MEMS陀螺儀的精度較低，致使其所組成的各類慣性測(cè)量系統(tǒng)目前主要用于一些精度要求較低的場(chǎng)合，因此極大地制約了MEMS陀螺儀的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用深度。如何有效地提高M(jìn)EMS陀螺儀的實(shí)際應(yīng)用精度，不僅是當(dāng)前各國(guó)學(xué)者所關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，同時(shí)也是MEMS陀螺儀在實(shí)際工程應(yīng)用中所急需解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。有效提高M(jìn)EMS陀螺儀的實(shí)際測(cè)量使用精度，是成功開(kāi)發(fā)和研制由MEMS陀螺儀所組成各類測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.3 封裝技術(shù)

目前，由于MEMS陀螺儀性能偏低，制約了其應(yīng)用范圍。當(dāng)MEMS陀螺儀工作于低壓環(huán)境時(shí)，可獲得較高的性能。因此，真空封裝技術(shù)不僅是提高M(jìn)EMS陀螺儀性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)決定了MEMS陀螺儀的可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及其成本，也是實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。MEMS陀螺儀的器件級(jí)真空封裝的難點(diǎn)是如何降低封裝應(yīng)力、提高真空度以及高真空保持度。選用合理的封裝材料可大幅降低封裝應(yīng)力及其對(duì)器件性能的影響。

2 MEMS陀螺儀分類

MEMS陀螺分類方式有多種。按振動(dòng)形式分:線振動(dòng)形式和角振動(dòng)(旋轉(zhuǎn)振動(dòng))形式。按使用材料分:硅(單晶和多晶)材料陀螺和非硅材料陀螺(石英、陶瓷等)。按驅(qū)動(dòng)方式分:靜電式(平板電容和梳指電容)、電磁式和壓電式等。按檢測(cè)方式分:電容檢測(cè)、壓阻檢測(cè)、壓電檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)、隧道效應(yīng)檢測(cè)和頻率檢測(cè)等。按工作模式分:速率陀螺(開(kāi)環(huán)模式和閉環(huán)模式)以及速率積分陀螺(整角模式)。按加工方式分:體微機(jī)械加工、表面微機(jī)械加工和LIGA等。按振動(dòng)結(jié)構(gòu)分:框架式、梳狀音叉式、振動(dòng)輪式、振動(dòng)環(huán)式、振動(dòng)平板式、雙線振動(dòng)式和聲表面波式等。表1和表2分別給出了幾種MEMS陀螺儀性能的比較和不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ湫阅軈?shù)的要求。

表1 幾種MEMS陀螺儀性能的比較

表2 不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)EMS陀螺儀的性能參數(shù)要求

3 MEMS陀螺儀研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的MEMS技術(shù)研究工作起步于1989年，1995年開(kāi)始將硅微陀螺儀技術(shù)列入國(guó)家微納米預(yù)研計(jì)劃。目前，國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究已有了較快的發(fā)展，但由于基礎(chǔ)薄弱、設(shè)計(jì)研發(fā)人才稀缺，以及MEMS加工與封裝技術(shù)整體的不成熟，至今MEMS陀螺儀大多還只是實(shí)驗(yàn)室樣品，尚處在實(shí)驗(yàn)階段。相比而言，由于國(guó)外研究硅微陀螺儀起步較早，尤其是歐美、日本等主要發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)研制硅微陀螺儀的投入較大，眾多國(guó)際知名大學(xué)和公司在對(duì)其的研究中均取得了顯著的成就，其研究水平和市場(chǎng)應(yīng)用也處于國(guó)際前列。

(1)框架式MEMS陀螺儀。2008年郭慧芳等提出了三框架電容式硅微陀螺［2］。2009年臺(tái)灣的Shih－wei Lai等也研制了一個(gè)三框架CMOS－MEMS單片雙軸陀螺［3］，如圖1所示。其特點(diǎn)是選用內(nèi)框驅(qū)動(dòng)外框檢測(cè)(IDOS)來(lái)檢測(cè)x方向的角速度和外框檢測(cè)內(nèi)框驅(qū)動(dòng)(ISOD)來(lái)檢測(cè)y方向的角速度。該硅微陀螺在x、y方向的角速度的靈敏度分別為:0.087 mV/((°)·s－1)和0.017 mV/((°)·s－1)(峰峰值)。

圖1 三框架CMOS－MEMS單片雙軸陀螺結(jié)構(gòu)圖

(2)音叉式MEMS陀螺儀。2006年許宜申等研制了單片三軸音叉電容式硅微振動(dòng)陀螺［4］。2010年吳其松等分析了一種適用于MEMS陀螺儀的高性能電容解耦讀出電路［5］。2011年張瓊分析了一種靜電梳齒驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)的音叉式解耦結(jié)構(gòu)的微陀螺［6］，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)的一階和二階模態(tài)分別為陀螺的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)，兩種工作模態(tài)頻率匹配使陀螺達(dá)到一定的靈敏度。其模態(tài)固有頻率相差42 Hz，同時(shí)兩階頻率均＞2 000 Hz，不易受到環(huán)境噪聲影響。

圖2 音叉電容式微陀螺結(jié)構(gòu)圖

(3)振動(dòng)輪式MEMS陀螺儀。2006年裘安萍等提出了振動(dòng)輪式MEMS陀螺儀滑膜阻尼的模型［7］，如圖3所示。振動(dòng)輪式MEMS陀螺儀的滑膜阻尼機(jī)理主要包括活動(dòng)弧形梳齒與固定弧形梳齒間的以及活動(dòng)結(jié)構(gòu)與襯底之間。該振動(dòng)輪式MEMS陀螺儀在空氣條件下品質(zhì)因數(shù)Q的測(cè)試結(jié)果與理論值的誤差約為16%。

圖3 振動(dòng)輪式微陀螺結(jié)構(gòu)圖

(4)單晶硅振動(dòng)環(huán)MEMS陀螺儀。2010年張明等提出了一種結(jié)合反應(yīng)離子深刻蝕(DRlE)與陽(yáng)極鍵合的方法制作了單晶硅振動(dòng)環(huán)陀螺儀［8］，如圖4所示。在制作過(guò)程中要保證敏感諧振子的均勻性和對(duì)稱性。采用該方法制作出了電容間隙為3μm、厚度為80μm、品質(zhì)因數(shù)為27 000的振動(dòng)環(huán)式微陀螺。

圖4 單晶硅振動(dòng)環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)圖

(5)轉(zhuǎn)子懸浮式微靜電陀螺儀。2011年王嫘等設(shè)計(jì)了一種基于環(huán)形轉(zhuǎn)子、體硅加工工藝、轉(zhuǎn)子五自由度懸浮的硅微靜電陀螺儀［9］，如圖5所示。其采用玻璃－硅－玻璃鍵合的三明治式微陀螺結(jié)構(gòu)，提出了包括雙邊光刻、反應(yīng)離子刻蝕(mE)、電感耦合等離子體(ICP)刻蝕、玻－硅靜電鍵合、硅片減薄、多層金屬濺射等關(guān)鍵工藝的加工路線。當(dāng)三相加轉(zhuǎn)電壓為28.3 V時(shí)，在大氣環(huán)境下轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速可達(dá)73.3 r/min。

圖5 轉(zhuǎn)子懸浮式微靜電陀螺電極分布圖

(6)質(zhì)量塊型MEMS陀螺儀。2007年土耳其Saider Emre Alper等報(bào)道了一種新的高性能絕緣硅(SOI)解耦振動(dòng)式MEMS陀螺［10］，如圖6所示。該陀螺儀擁有最小電容檢測(cè)差距為2.6μm和硅厚度為25μm，適合芯片面積＜3×3 mm。該陀螺儀具有70°/s的低正交信號(hào)和1.5°/s的短期零偏穩(wěn)定性，非線性度優(yōu)于0.02%，在大氣壓下陀螺的角速率靈敏度是100μV/((°)·s－1)，相比在真空時(shí)提高了24倍達(dá)2.4 mV/((°)·s－1)。

圖6 新型高性能絕緣硅解耦振動(dòng)微陀螺結(jié)構(gòu)圖

同年李建利等提出了一種雙質(zhì)量塊調(diào)諧輸出式(DMRO)硅微陀螺［11］，如圖7所示。采用兩塊反相、同頻、等幅振動(dòng)質(zhì)量塊作為敏感單元。諧振器固有諧振頻率為4.043 1×106Hz，在諧振器前部施加1×106Pa預(yù)載荷后，諧振頻率偏移量為20.7 kHz。

圖7 DMRO硅微陀螺儀結(jié)構(gòu)圖

(7)雙線振動(dòng)式硅微陀螺儀。2005年Saider Emre Alper等報(bào)道了一種采用單晶硅體硅溶解薄片法加工工藝制造的對(duì)稱解耦雙線振動(dòng)硅微陀螺儀［12］，如圖8所示。該陀螺結(jié)構(gòu)層厚12～15μm，在頻率完全匹配和真空條件下其角速率分辨率為0.017°/s(50 Hz帶寬)。

圖8 對(duì)稱解耦雙線振動(dòng)式硅微陀螺結(jié)構(gòu)圖

2008年殷勇等提出了一種結(jié)構(gòu)解耦的雙質(zhì)量雙線振動(dòng)硅微陀螺儀［13－14］。2010年溫姣等設(shè)計(jì)了一種新穎的梳狀音叉雙線振動(dòng)解耦結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)量陀螺儀［15］，如圖9所示。該陀螺通過(guò)結(jié)構(gòu)解耦減小驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)的相互耦合，結(jié)構(gòu)振動(dòng)平穩(wěn)性好。左右對(duì)稱的雙質(zhì)量設(shè)計(jì)使其受加工誤差和溫度變化的影響近乎相同，通過(guò)折疊梁連接的設(shè)計(jì)使陀螺受加工應(yīng)力的影響大幅縮小。

圖9 解耦結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)量陀螺儀結(jié)構(gòu)圖

(8)單片集成CMOS－MEMS陀螺儀。2005年何曉磊和施芹等分別報(bào)道了一種Z軸微陀螺的研究［16－17］。2010年美國(guó)Hongzhi Sun，等報(bào)道了一單片集成CMOS－MEMS慣性測(cè)量單元(IMU)［18－20］，如圖10所示。其是由一個(gè)3軸加速度計(jì)，一個(gè)z軸和一個(gè)x/y橫軸陀螺儀組成。IMU是集成了接口電路在5 mm×5 mm的CMOS晶圓芯片上，并采用了一種改進(jìn)的深離子刻蝕的post－CMOS批量微加工流程。x/y軸加速度計(jì)靈敏度達(dá)到191 mV/g，噪聲為35μg/Hz1/2，z軸加速度計(jì)的靈敏度為124 mV/g，噪聲為56μg/Hz1/2。z軸陀螺儀的靈敏度為0.3 mV/((°)·s－1)，噪聲為0.2((°)·s－1)/Hz1/2。

圖10 單片集成CMOS－MEMS慣性測(cè)量單元圖

(9)基于介觀壓阻效應(yīng)的新材料MEMS陀螺儀。2009年劉俊等研制了一種用基于介觀壓阻效應(yīng)的GaAs共振隧穿二極管的新型MEMS陀螺儀［21－23］，如圖11所示。利用多勢(shì)壘納米膜檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了較高的壓阻靈敏度。微陀螺儀的工作帶寬增大，結(jié)構(gòu)靈敏度提高了18%。結(jié)合壓力測(cè)量和RTD的I－V特性得出在負(fù)電阻區(qū)的谷值點(diǎn)時(shí)靈敏度達(dá)到最高為1.03×10－4V/MPa?；贕aAs的設(shè)計(jì)制作的陀螺儀測(cè)量角速度范圍為±500°/s，靈敏度為9.35μV/((°)·s－1)，線性度為0.992 59。

圖11 基于介觀壓阻效應(yīng)的新微陀螺結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

目前MEMS陀螺儀慣性器件主要圍繞關(guān)鍵技術(shù)、加工材料、特殊制備工藝和微型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研制:

(1)向中高精度發(fā)展。采用微加工工藝和微組裝工藝實(shí)現(xiàn)了混合結(jié)構(gòu)的MEMS陀螺，偏置穩(wěn)定性可達(dá)0.01～0.1°/h。

(2)微加工工藝由二維向三維發(fā)展。微加工工藝是MEMS慣性器件的基礎(chǔ)。目前硅微加工工藝的最大的缺點(diǎn)是沒(méi)有加工能力，僅靠平面結(jié)構(gòu)難以達(dá)到高性能。

(3)測(cè)控線路的數(shù)字化。數(shù)字化是MEMS慣性儀表的發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)字化的測(cè)控電路可方便地補(bǔ)償敏感結(jié)構(gòu)的一些誤差，實(shí)現(xiàn)更完善的功能，便于系統(tǒng)應(yīng)用。

(4)結(jié)構(gòu)和電路優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)一步研究MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)及電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)慣性級(jí)高性能的要求，其中高靈敏度、低噪聲、低漂移和大動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試電路是提高M(jìn)EMS陀螺儀的關(guān)鍵所在。

(5)在線辨識(shí)補(bǔ)償技術(shù)。辨識(shí)出MEMS慣性器件的基本性能隨環(huán)境和時(shí)間變化而發(fā)生的變化，進(jìn)而可以對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償和校準(zhǔn)，甚至可在MEMS慣性器件正常工作的條件下實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，這對(duì)提高M(jìn)EMS慣性器件的性能具有重要意義。

(6)CMOS MEMS加工技術(shù)。積極開(kāi)展CMOSMEMS工藝研究解決MEMS加工與ASIC加工相兼容的問(wèn)題。該工藝可克服先前單片集成工藝的缺點(diǎn)，如MEMS結(jié)構(gòu)比較薄等問(wèn)題。

(7)封裝和測(cè)試發(fā)展。完善MEMS陀螺儀系統(tǒng)的封裝和測(cè)試標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)低成本，完成適合陀螺儀工作外界條件的封裝。

(8)單片多自由度MEMS慣性儀表集成:多軸集成慣性儀表的研究是MEMS慣性測(cè)量組合集成研究的一部分。在單晶片上制作三軸慣性儀表能較好的實(shí)現(xiàn)相互正交，并進(jìn)一步減小體積提高集成度。

MEMS陀螺儀的發(fā)展方向是集成化的IMU，即將慣性計(jì)和測(cè)試電路相互集成的測(cè)量系統(tǒng)，另外還應(yīng)加強(qiáng)微米、納米技術(shù)的研究，只有這樣才能真正實(shí)現(xiàn)MEMS慣性器件的單片集成優(yōu)勢(shì)。

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