MEMS陀螺技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀簡述

中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心,北京 100076

一、前言

微機電系統(tǒng)（Micro Electromechanical System，MEMS）發(fā)展于20世紀90年代，是在微電子制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上隨著精密微型機械制造技術(shù)的發(fā)展而成長起來的，尺寸從微米到毫米級，集微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型傳動結(jié)構(gòu)、處理電路及接口于一體，具有可批量生產(chǎn)、微型化、集成化及多學(xué)科交叉等特點。

以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的微陀螺是一種重要的微慣性器件。它以體積小、價格低、功耗小、可靠穩(wěn)定、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點適用于各種制導(dǎo)航空彈藥、微小飛行器、穩(wěn)定平臺、機器人等軍事領(lǐng)域，受到了各軍事強國的青睞。

二、MEMS陀螺的軍事需求

在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，MEMS 微陀螺主要用于導(dǎo)航制導(dǎo)、姿態(tài)測量與穩(wěn)定以及引信等方面。各國競相發(fā)展的各類遠程制導(dǎo)炮彈、靈巧彈藥以及各種常規(guī)炸彈制導(dǎo)化改造對慣導(dǎo)系統(tǒng)精度要求不是很高，但要求成本低廉、反應(yīng)時間短、動態(tài)范圍寬、體積重量小、環(huán)境適應(yīng)能力強。從實踐經(jīng)驗看，低成本微慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)在上述武器裝備建設(shè)中最具競爭力。微陀螺是微慣性系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，有著廣闊的軍事應(yīng)用前景。

三、MEMS陀螺的國外發(fā)展現(xiàn)狀

Draper 實驗室于 1985 年就著手微機械陀螺的研制，先后研制了框架式角振動微陀螺、音叉式線振動微陀螺及振動輪式微陀螺。其漂移由1994年的4000°/h 上升到 2000 年的 10°/h。圖 1 為 Draper實驗室1993 年研制的新型音叉式線振動微陀螺儀[1]。相對于框架式結(jié)構(gòu)的硅微機械陀螺，在性能指標(biāo)上提升很大。該微陀螺在封裝環(huán)境為100mTorr時的標(biāo)度因數(shù)為50m V/rad/s，非線性度小于0.2%，驅(qū)動方向和檢測方向上的Q值分別為40000和5000。

1994年，美國密歇根大學(xué)報道了一種振動式環(huán)形微機械陀螺[2]，其主要結(jié)構(gòu)為一系列弧形梁支撐圓環(huán)，在圓環(huán)的四周分布驅(qū)動及檢測電極。由靜電力使陀螺進入橢圓形驅(qū)動模態(tài)，角速度引入的柯氏力使其能量由第一模態(tài)向第二模態(tài)轉(zhuǎn)移。在2001年使用HARPSS工藝進行加工制作的成品如圖2所示[3]。圓環(huán)直徑為1.1mm，結(jié)構(gòu)厚度為80pm，深寬比達20: 1，工作頻率在20kHz左右。在其品質(zhì)因數(shù)為1200時，其分辨率可達0.01°/s/√Hz，減小寄生電容及提高品質(zhì)因數(shù)可以大幅度地提高其分辨率。

美國 Jet Propulsion Laboratory實驗室在 NASA的資助下，一直致力研究應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能MEMS陀螺。1997年研制出一種四葉體式微機械陀螺儀（JPL/Boeinggyroscope)[4]，如圖3所示。在中間裝配了一根金屬桿用來增大檢測質(zhì)量塊的質(zhì)量，金屬桿直徑為50μm，長度為5mm，并對器件逬行了真空封裝來提高其Q值。器件工作頻率為l.4425kHz，其驅(qū)動與檢測模態(tài)的諧振頻率差為7Hz，性能測試結(jié)果：標(biāo)度因數(shù)24mV/°/s，偏置穩(wěn)定性 7°/h，角度隨機游走 6.3°/√hr。

1999 年，日本橫濱技術(shù)中心的研究人員對Draper 實驗室提出的微陀螺結(jié)構(gòu)進行了改進，為減小驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)之間的交叉耦合從而減小正交誤差，為驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)設(shè)計了獨立的支承梁結(jié)構(gòu)，如圖4所示[5]，該陀螺基于SOI硅晶圓制造，交叉耦合度只有1 %，10Hz帶寬時的分辨率達到0.07°/s。

2010年，巴基斯坦應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院與加拿大皇后大學(xué)合作研制了一種電熱驅(qū)動式共振角速率微陀螺儀，如圖5所示，該微陀螺的結(jié)構(gòu)由三個由同一個框架驅(qū)動的質(zhì)量塊組成，其敏感部件依靠熱執(zhí)行器進行驅(qū)動，通過檢測電容的變化實現(xiàn)對柯氏力大小的測量。當(dāng)驅(qū)動電壓為1.3V 2.99kHz 時，敏感部件在驅(qū)動方向振動幅值為4.2μm，功率0.36W，相對于梳齒驅(qū)動的傳統(tǒng)微陀螺具有很高的Q值[6]。

2010年，挪威sensoNor公司報道的蝶形陀螺屬于偏轉(zhuǎn)振動陀螺[7]，如圖6所示。蝶形陀螺采用了音叉式的工作結(jié)構(gòu)，驅(qū)動和檢測模態(tài)均為反相的扭轉(zhuǎn)振動。音叉結(jié)構(gòu)有助于降低軸向加速度的干擾。其目標(biāo)精度為：工作量程：±500deg/s，標(biāo)度因素精度 ±300ppm，角度隨機游走0.002°/√hr， 即 0.12°/hr√Hz，零偏穩(wěn)定性 0.04°/hr，零偏重復(fù)性 0.1°/hr。

2013年，法國電子與信息技術(shù)實驗室研制了一種3D 電容式音叉陀螺，如圖7所示，其具有低寄生電容的[8]。該微陀螺基于懸掛橫向電極實現(xiàn)了面外敏感，在器件Si厚度為30μm的SOI晶圓上制作的微陀螺運動部件，通過在磷硅玻璃犧牲層的頂部沉積多晶硅來實現(xiàn)頂部電極和連接線的懸掛。這種3D設(shè)計方案采用橫向懸掛電極，3D敏感結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)面外檢測從而進一步降低微陀螺的寄生電容。

四、MEMS陀螺的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在微陀螺領(lǐng)域的研究起步較晚，經(jīng)過近些年的努力，關(guān)鍵技術(shù)研究有長足的進步，性能有大幅提高。清華大學(xué)、北京大學(xué)、東南大學(xué)、中北大學(xué)、上海微系統(tǒng)、航天時代電子公司、電子科技集團26所和13所等單位已經(jīng)研制出具有一定精度的樣機。

2003年，中科院上海微系統(tǒng)研究所的研究人員研制了一種槽縫陀螺，結(jié)構(gòu)如圖8所示[9]。該陀螺基于深層反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）工藝制備，采用靜電式驅(qū)動，電容式檢測。其驅(qū)動模態(tài)頻率為460Hz，Q值為102.5檢測模態(tài)頻率為550Hz，Q值為106.5，在大氣環(huán)境下的標(biāo)度因數(shù)為20mV/°/s，非線性度為0.56%。

清華大學(xué)在2006年報道了一種微機械陀螺無需轉(zhuǎn)臺的標(biāo)度因數(shù)確定方法，陀螺結(jié)構(gòu)如圖9所示[10]，在大氣下工作，結(jié)構(gòu)厚度為80μm，深寬比達25。

北京大學(xué)在2008年報道了一種大氣下工作的單質(zhì)量塊雙解耦陀螺[11]，如圖10所示。驅(qū)動與檢測都采用變面積電容，所受阻尼主要為滑膜阻尼。此陀螺檢測的角速度為X方向輸入的角速度，外框隨X軸輸入的角速度大小產(chǎn)生繞y軸的扭轉(zhuǎn)運動。測試結(jié)果為：標(biāo)度因數(shù)為3mV/°/s，量程±300°/s，噪聲基底 為 0.1°/s√Hz，相當(dāng)于360°/hr√Hz。

2014年，同濟大學(xué)研制了一種可用于高g沖擊環(huán)境的音叉陀螺儀，如圖11所示[12]。該微陀螺采用由中間的連梁連接的雙對稱框架結(jié)構(gòu)以提高它的耐沖擊性，通過體硅微機械加工技術(shù)在300μm厚硅片上加工而成，其工作頻率達到10kHz。微陀螺驅(qū)動和檢測模態(tài)的工作頻率分別為10240Hz和11160Hz，沿X軸陀螺儀的耐沖擊性為15000g，Y軸為14000g， Z軸為11000g。

2015年，中北大學(xué)設(shè)計了基于靜電梳齒驅(qū)動介觀壓光效應(yīng)檢測的微機械陀螺，該微陀螺的工作原理可表述為：當(dāng)交變電場施加在靜電驅(qū)動梳齒電容上時，質(zhì)量塊在靜電驅(qū)動力的作用下往復(fù)振動。當(dāng)敏感方向有角速度輸入時，由柯氏效應(yīng)原理，將在檢測方向產(chǎn)生交變柯氏力，柯氏力驅(qū)動質(zhì)量塊和中框在檢測方向產(chǎn)生振動，檢測梁的彎曲是布置與梁上的光子晶體產(chǎn)生應(yīng)變（應(yīng)力），通過檢測光子晶體的透射率變化即可解算出輸入角速度的大小。其結(jié)構(gòu)如圖12所示[6]。

五、結(jié)束語

本文根據(jù)對國內(nèi)外MEMS陀螺進行了充分調(diào)研，并對它們的基本原理、優(yōu)缺點和技術(shù)指標(biāo)進行了簡單的介紹。這幾種MEMS陀螺都具有體積小、重量輕、成本低和批量生產(chǎn)等獨特優(yōu)點，使得它們都較適合應(yīng)用在慣性導(dǎo)航、自動控制等相關(guān)領(lǐng)域，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著微機電技術(shù)的發(fā)展和新型材料的應(yīng)用，MEMS陀螺的種類將進一步多樣化，MEMS陀螺將在慣性導(dǎo)航和自動控制等方面發(fā)揮越來越重要的作用。