MEMS陀螺技術國內外發展現狀簡述

中國運載火箭技術研究院研究發展中心,北京 100076

一、前言

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

以MEMS技術為基礎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、可靠穩定、可批量生產等優點適用于各種制導航空彈藥、微小飛行器、穩定平臺、機器人等軍事領域，受到了各軍事強國的青睞。

二、MEMS陀螺的軍事需求

在軍事應用領域，MEMS 微陀螺主要用于導航制導、姿態測量與穩定以及引信等方面。各國競相發展的各類遠程制導炮彈、靈巧彈藥以及各種常規炸彈制導化改造對慣導系統精度要求不是很高，但要求成本低廉、反應時間短、動態范圍寬、體積重量小、環境適應能力強。從實踐經驗看，低成本微慣性組合導航系統在上述武器裝備建設中最具競爭力。微陀螺是微慣性系統的關鍵部件，有著廣闊的軍事應用前景。

三、MEMS陀螺的國外發展現狀

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]。相對于框架式結構的硅微機械陀螺，在性能指標上提升很大。該微陀螺在封裝環境為100mTorr時的標度因數為50m V/rad/s，非線性度小于0.2%，驅動方向和檢測方向上的Q值分別為40000和5000。

1994年，美國密歇根大學報道了一種振動式環形微機械陀螺[2]，其主要結構為一系列弧形梁支撐圓環，在圓環的四周分布驅動及檢測電極。由靜電力使陀螺進入橢圓形驅動模態，角速度引入的柯氏力使其能量由第一模態向第二模態轉移。在2001年使用HARPSS工藝進行加工制作的成品如圖2所示[3]。圓環直徑為1.1mm，結構厚度為80pm，深寬比達20: 1，工作頻率在20kHz左右。在其品質因數為1200時，其分辨率可達0.01°/s/√Hz，減小寄生電容及提高品質因數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，一直致力研究應用于航空航天領域的高性能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量塊的質量，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，其驅動與檢測模態的諧振頻率差為7Hz，性能測試結果：標度因數24mV/°/s，偏置穩定性 7°/h，角度隨機游走 6.3°/√hr。

1999 年，日本橫濱技術中心的研究人員對Draper 實驗室提出的微陀螺結構進行了改進，為減小驅動模態與檢測模態之間的交叉耦合從而減小正交誤差，為驅動模態和檢測模態設計了獨立的支承梁結構，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，巴基斯坦應用科學與工程學院與加拿大皇后大學合作研制了一種電熱驅動式共振角速率微陀螺儀，如圖5所示，該微陀螺的結構由三個由同一個框架驅動的質量塊組成，其敏感部件依靠熱執行器進行驅動，通過檢測電容的變化實現對柯氏力大小的測量。當驅動電壓為1.3V 2.99kHz 時，敏感部件在驅動方向振動幅值為4.2μm，功率0.36W，相對于梳齒驅動的傳統微陀螺具有很高的Q值[6]。

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

2013年，法國電子與信息技術實驗室研制了一種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頂部電極和連接線的懸掛。這種3D設計方案采用橫向懸掛電極，3D敏感結構可以實現面外檢測從而進一步降低微陀螺的寄生電容。

四、MEMS陀螺的國內發展現狀

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

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

清華大學在2006年報道了一種微機械陀螺無需轉臺的標度因數確定方法，陀螺結構如圖9所示[10]，在大氣下工作，結構厚度為80μm，深寬比達25。

北京大學在2008年報道了一種大氣下工作的單質量塊雙解耦陀螺[11]，如圖10所示。驅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生繞y軸的扭轉運動。測試結果為：標度因數為3mV/°/s，量程±300°/s，噪聲基底 為 0.1°/s√Hz，相當于360°/hr√Hz。

2014年，同濟大學研制了一種可用于高g沖擊環境的音叉陀螺儀，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構以提高它的耐沖擊性，通過體硅微機械加工技術在300μm厚硅片上加工而成，其工作頻率達到10kHz。微陀螺驅動和檢測模態的工作頻率分別為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，中北大學設計了基于靜電梳齒驅動介觀壓光效應檢測的微機械陀螺，該微陀螺的工作原理可表述為：當交變電場施加在靜電驅動梳齒電容上時，質量塊在靜電驅動力的作用下往復振動。當敏感方向有角速度輸入時，由柯氏效應原理，將在檢測方向產生交變柯氏力，柯氏力驅動質量塊和中框在檢測方向產生振動，檢測梁的彎曲是布置與梁上的光子晶體產生應變（應力），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。其結構如圖12所示[6]。

五、結束語

本文根據對國內外MEMS陀螺進行了充分調研，并對它們的基本原理、優缺點和技術指標進行了簡單的介紹。這幾種MEMS陀螺都具有體積小、重量輕、成本低和批量生產等獨特優點，使得它們都較適合應用在慣性導航、自動控制等相關領域，因而具有廣闊的應用前景。隨著微機電技術的發展和新型材料的應用，MEMS陀螺的種類將進一步多樣化，MEMS陀螺將在慣性導航和自動控制等方面發揮越來越重要的作用。