環(huán)形科氏力振動(dòng)陀螺發(fā)展情況概述*

湯浩江，姜 波，朱欣華，蘇 巖

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院·南京·210096）

0 引 言

陀螺儀是測(cè)量物體相對(duì)于慣性空間運(yùn)動(dòng)角度、角速度、角加速度的傳感器，在軍事和民用領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。目前,激光陀螺、光纖陀螺、半球諧振陀螺占據(jù)高精度市場(chǎng)，盡管它們可以滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)武器要求，但是其體積和質(zhì)量較大、功耗較高，且工藝、成本等問(wèn)題制約著其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）科氏力振動(dòng)陀螺具有體積小、質(zhì)量小、功耗低、成本低的優(yōu)勢(shì)，故其在高精度姿態(tài)控制、短時(shí)智能設(shè)備導(dǎo)航等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前問(wèn)世的高精度MEMS陀螺主要分為兩類(lèi)，一種是傳統(tǒng)的集中質(zhì)量式陀螺，其工作模態(tài)分為驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)，在外界角速度輸入情況下檢測(cè)模態(tài)檢測(cè)到位移信號(hào)；另一種是固體波動(dòng)陀螺，其工作原理是基于旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)彈性波的慣性效應(yīng)。環(huán)形陀螺是固體波動(dòng)陀螺中的一種，目前以環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為代表的科氏力振動(dòng)陀螺正成為該領(lǐng)域的主流技術(shù)方案之一。相較于其他MEMS陀螺，其扁平化、緊湊的軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)適用于當(dāng)前的MEMS硅加工工藝，有利于實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺的批量加工，也易于實(shí)現(xiàn)模態(tài)匹配，提高陀螺在開(kāi)環(huán)模式下的靈敏度和信噪比，故環(huán)形科氏力振動(dòng)陀螺被認(rèn)為是最具高性能應(yīng)用潛力的陀螺類(lèi)型之一，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)針對(duì)該類(lèi)型陀螺開(kāi)展了很多研究工作。本文回顧了環(huán)形科氏力陀螺的發(fā)展歷程，并綜述了近幾年國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在環(huán)形科氏力陀螺關(guān)鍵技術(shù)上的研究進(jìn)展，梳理了該類(lèi)型陀螺潛在的發(fā)展方向，為國(guó)內(nèi)外同行開(kāi)展該類(lèi)型陀螺結(jié)構(gòu)科學(xué)研究，提高M(jìn)EMS科氏力振動(dòng)陀螺性能提供了參考和借鑒。

1 環(huán)形科氏力振動(dòng)陀螺發(fā)展概況

環(huán)形科氏力振動(dòng)陀螺最早是由半球諧振陀螺演變而來(lái)，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)的一系列探索工作，發(fā)展成為不同的結(jié)構(gòu)方向和工藝路線，形成了不同的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 環(huán)形振動(dòng)陀螺發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 Development trend of ring vibratory gyroscope

1.1 單環(huán)陀螺

（a） 單晶硅振動(dòng)環(huán)形結(jié)構(gòu)

（b） Silicon Sensing的單環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)

（c） 電子所設(shè)計(jì)的單環(huán)陀螺結(jié)構(gòu) 圖2 單環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)構(gòu)型Fig.2 Structure configuration of single ring gyroscope

2010年，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所也設(shè)計(jì)并加工了一款單環(huán)振動(dòng)陀螺，其結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示。該陀螺采用新的制造方案，基于全硅、高深寬比MEMS制造技術(shù)加工。其真空狀態(tài)下的值可達(dá)22000，陀螺分辨率為0.05（°）/s，量程為±50（°）/s。

1.2 多環(huán)陀螺

多環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)是目前環(huán)形陀螺結(jié)構(gòu)的主流技術(shù)方案，相對(duì)于單環(huán)陀螺的科氏質(zhì)量和等效質(zhì)量更大，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)度更高，電極布置方式也更為自由，靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能均有所提高。

圖3 加州大學(xué)歐文分校設(shè)計(jì)的錨點(diǎn)在外、電極在內(nèi)的多環(huán)諧振子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of DRG with external anchor and internal electrode designed by UC Irvine

圖4 參數(shù)控制電極布置及控制方案Fig.4 Parameter driven electrode arrangement and control scheme

2015年，斯坦福大學(xué)的T.W.Kenny團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種環(huán)與環(huán)之間內(nèi)部電極的加工工藝，該工藝將中小型電極差分布置（圖5），極大地增加了諧振器電容傳感的面積，使得控制回路中所需的調(diào)諧電壓和正交抑制電壓得到降低，并提高了MEMS陀螺的檢測(cè)靈敏度。

圖5 斯坦福大學(xué)T.W.Kenny團(tuán)隊(duì)提出的內(nèi)部電極的多環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The schematic structure of DRG with internal electrodes proposed by T.W. Kenny of Stanford University

圖6 ADI公司提出的內(nèi)外錨點(diǎn)多環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)方案Fig.6 The structure scheme of inner and outer anchor DRG proposed by ADI company

國(guó)內(nèi)方面也有多家單位在進(jìn)行高精度多環(huán)陀螺的研究工作。2017年，國(guó)防科技大學(xué)的吳學(xué)忠團(tuán)隊(duì)提出了一種懸掛質(zhì)量式的環(huán)形陀螺結(jié)構(gòu)，如圖7所示。該方案通過(guò)在環(huán)間隙中嵌入質(zhì)量塊來(lái)提高陀螺的等效質(zhì)量，從而在一定程度上降低了多環(huán)諧振子的熱彈性阻尼，提高了結(jié)構(gòu)的等效剛度，使得MEMS環(huán)形陀螺同時(shí)擁有高品質(zhì)因數(shù)和低諧振頻率的特性。

圖7 國(guó)防科大提出的懸掛質(zhì)量式環(huán)形陀螺結(jié)構(gòu)Fig.7 Suspended mass ring gyroscope designed by NUDT

1.3 實(shí)心盤(pán)形

實(shí)心盤(pán)形結(jié)構(gòu)也是環(huán)形陀螺的一種高性能結(jié)構(gòu)方案。佐治亞理工學(xué)院在2006年首先報(bào)道了一種電容式單晶硅圓盤(pán)諧振器。該結(jié)構(gòu)由單晶硅諧振盤(pán)構(gòu)成，在溝槽中嵌有驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電極，擁有在MHz范圍內(nèi)的諧振頻率。結(jié)構(gòu)基于高長(zhǎng)寬比的多晶硅和單晶硅（High Aspect-Ratio Combined Poly and Single-Crystal Silicon, HARPSS）工藝加工制造，無(wú)需納米光刻，減小了結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)度帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)了較低的加工成本，在大氣環(huán)境中工作的值可達(dá)26000。2015年，佐治亞理工學(xué)院又提出了一種襯底解耦式的盤(pán)形振動(dòng)陀螺。該結(jié)構(gòu)采用（100）硅制造，工作在=3的酒杯模態(tài)。在2.745MHz的工作頻率下其品質(zhì)因數(shù)可達(dá)1300000，并且頻率裂解僅為110Hz，在大氣環(huán)境中工作的值也可達(dá)100萬(wàn)以上。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 襯底解耦式盤(pán)形陀螺Fig.8 Substrate-decoupled silicon disk resonators

1.4 工藝路線

根據(jù)敏感結(jié)構(gòu)的形成方式，環(huán)形陀螺的加工工藝分為兩種路線，一種是依托于鍵合的高深寬比的單晶硅工藝，該工藝可以有效地提高電容檢測(cè)面積，降低MEMS陀螺的輸出噪聲，提高分辨率。敏感結(jié)構(gòu)一般為（100）或（111）晶向的單晶硅，該種材料具有很強(qiáng)的各向異性。另一種是依托于低壓化學(xué)氣相沉積（Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD）的外延生長(zhǎng)工藝，以斯坦福大學(xué)為代表。目前，由于鍵合工藝的成品率問(wèn)題，基于外延生長(zhǎng)的技術(shù)路線也被大多數(shù)商業(yè)化的三軸陀螺采用。受工藝因素影響和制約，該技術(shù)路線的敏感結(jié)構(gòu)為具有各向同性的多晶硅結(jié)構(gòu)。

2 高性能方案

環(huán)形科氏力振動(dòng)陀螺經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)趨于穩(wěn)定，目前的主要研究方向都集中在提升陀螺樣機(jī)性能方面。高性能陀螺的技術(shù)解決途徑正在圍繞實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)、長(zhǎng)衰減時(shí)間系數(shù)，同時(shí)盡量減小頻率裂解、實(shí)現(xiàn)陀螺樣機(jī)的模態(tài)匹配等方面展開(kāi)。

2.1 品質(zhì)因數(shù)提高

對(duì)于提高環(huán)形陀螺品質(zhì)因數(shù)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)材料、加工工藝以及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化上。對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化，目前主要有兩種路線，一種是改變環(huán)形科氏力振動(dòng)陀螺的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，另一種是優(yōu)化多環(huán)諧振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)。國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)都對(duì)環(huán)形陀螺的結(jié)構(gòu)參數(shù)做了大量研究工作。斯坦福大學(xué)的T.W.Kenny團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，改變多環(huán)諧振子的幾何參數(shù)會(huì)影響陀螺的品質(zhì)因數(shù)和動(dòng)力學(xué)特性。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化多環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)的輻條長(zhǎng)度，能夠有效地改變諧振子的熱傳導(dǎo)效率，降低其熱彈性阻尼，從而提高諧振器的品質(zhì)因數(shù)，如圖9所示。加州大學(xué)歐文分校還報(bào)道了一種通過(guò)修調(diào)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整環(huán)形陀螺模態(tài)分布順序的方案。國(guó)防科技大學(xué)分析了MEMS陀螺品質(zhì)因數(shù)的改善機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種剛度—質(zhì)量解耦的方法：多環(huán)結(jié)構(gòu)的壁厚分布優(yōu)化和集中質(zhì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了新型的多環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)。新型的多環(huán)諧振子通過(guò)懸掛質(zhì)量的方式，減小了熱彈性阻尼，提高了結(jié)構(gòu)的等效剛度，實(shí)際測(cè)得的品質(zhì)因數(shù)和衰減時(shí)間系數(shù)分別達(dá)到了510000和74.9s。但該途徑下環(huán)形陀螺的工作模態(tài)頻率得到降低，使得空間模態(tài)更容易被激發(fā)出來(lái)。

圖9 T.W.Kenny團(tuán)隊(duì)對(duì)多環(huán)陀螺輻條長(zhǎng)度優(yōu)化的研究Fig.9 Research on optimization of spoke length of DRG by T.W. Kenny team

南京理工大學(xué)的林晨首次建立了多環(huán)諧振子的熱力耦合模型，該模型是傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和熱彈性阻尼模型的結(jié)合。此項(xiàng)工作完善了對(duì)多環(huán)諧振子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為環(huán)形陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作建立了理論基礎(chǔ)。

佐治亞理工學(xué)院報(bào)道的襯底解耦式盤(pán)形陀螺擁有較高的品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)具有諧振頻率高、抗振動(dòng)性能突出的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)加工工藝要求較高。同時(shí)該大學(xué)還開(kāi)展了以新材料SiC作為諧振器材料的研究，其在常用MEMS材料中表現(xiàn)出最低的Akhiezer阻尼損耗特性，可以獲得極高的品質(zhì)因數(shù)。基于該材料制作的SiC BAW陀螺頻率裂解為215Hz，值可達(dá)170000。但是這種材料的缺點(diǎn)是材料堅(jiān)硬，刻蝕難度大。

2.2 模態(tài)匹配方法

MEMS陀螺加工過(guò)程中，由于材料的缺陷以及存在的加工誤差，不可避免地會(huì)使陀螺的工作模態(tài)產(chǎn)生頻率裂解，即驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)間存在一個(gè)頻率差，該頻差對(duì)陀螺的靈敏度和信噪比有較大影響。

為了減小頻率裂解，加州大學(xué)洛杉磯分校報(bào)道了一種對(duì)諧振子進(jìn)行質(zhì)量修調(diào)的晶圓級(jí)技術(shù)，如圖10所示。這種技術(shù)通過(guò)機(jī)械修調(diào)的方式，在諧振器特定位置上刻蝕出圓形凹坑，并通過(guò)在圓形凹坑上添加焊料進(jìn)行單個(gè)模態(tài)頻率的修調(diào)，從而有效減小了頻率裂解。但是這種方式調(diào)諧效率很低，難以實(shí)現(xiàn)大批量的調(diào)諧，且無(wú)法應(yīng)用于封裝后的陀螺調(diào)諧。

圖10 加州大學(xué)洛杉磯分校報(bào)道的頻率裂解的機(jī)械修調(diào)方案Fig.10 The mechanical tuning scheme of frequency cracking reported by UCLA

斯坦福大學(xué)的T.W.Kenny團(tuán)隊(duì)通過(guò)修調(diào)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，如多環(huán)諧振子輻條的角度和寬度等，將工作模態(tài)的頻率裂解從10kHz抑制到了100Hz以?xún)?nèi)。斯坦福大學(xué)還報(bào)道了一種靜電調(diào)諧方式，用于抑制溫度頻率系數(shù)帶來(lái)的頻率裂解現(xiàn)象。該方案通過(guò)在外圍電極上施加直流電壓，將模態(tài)方向與任意晶體方向?qū)R，從而改變每個(gè)諧振模態(tài)下頻率和溫度的相關(guān)性。國(guó)防科技大學(xué)提出的蜂巢式環(huán)形結(jié)構(gòu)和蘇州大學(xué)提出的蛛網(wǎng)式環(huán)形結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖11），從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，用短直梁替代傳統(tǒng)環(huán)形諧振子的弧狀結(jié)構(gòu)，這種梁構(gòu)型對(duì)加工誤差的敏感性更低，加工出來(lái)的結(jié)構(gòu)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，頻率對(duì)稱(chēng)性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)的多環(huán)諧振陀螺。

圖11 環(huán)形陀螺的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.11 Innovative structure design of ring gyroscope

3 總結(jié)與展望

本文回顧了環(huán)形科氏力振動(dòng)陀螺的發(fā)展歷程，并對(duì)環(huán)形陀螺的結(jié)構(gòu)方向和工藝特點(diǎn)以及近年來(lái)的一些研究熱點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。環(huán)形陀螺憑借其良好的性能和對(duì)稱(chēng)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ壳捌湫阅苋詿o(wú)法達(dá)到導(dǎo)航級(jí)陀螺的性能水平，未來(lái)高性能MEMS環(huán)形陀螺仍然是國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)，其發(fā)展方向?qū)@以下幾方面展開(kāi)：

1）新工藝、新材料、新機(jī)理的研究 。想要進(jìn)一步提升陀螺樣機(jī)的性能，需要從諧振器的能量耗散機(jī)理出發(fā)，對(duì)諧振器本身的特性進(jìn)行研究，因此離不開(kāi)對(duì)結(jié)構(gòu)材料、加工工藝等方面的研究，阻尼特性更好的材料、高值真空封裝等方向?qū)⑹茄芯繜狳c(diǎn)。

2）控制系統(tǒng)的完善。環(huán)形結(jié)構(gòu)的剛度軸和阻尼軸偏轉(zhuǎn)會(huì)給陀螺帶來(lái)長(zhǎng)期漂移，且溫度、時(shí)間帶來(lái)的頻率裂解現(xiàn)象也會(huì)對(duì)陀螺性能產(chǎn)生較大影響。因此，對(duì)陀螺控制系統(tǒng)的完善，環(huán)形陀螺的控制系統(tǒng)中需要引入自動(dòng)匹配技術(shù)和模態(tài)識(shí)別技術(shù)。