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)

微機械陀螺儀屬于一種振動式角速率傳感器，用于測量旋轉(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，在工業(yè)控制、航空航天、汽車和消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用［1］。

目前，各個國家MEMS陀螺儀的研究進展參差不齊，其中原因不僅有國家和地方的投入不夠，且該類研究人員較為缺乏，重點是MEMS陀螺儀涉及的領(lǐng)域廣泛，研究難點較多。MEMS陀螺儀的研究難點主要在于結(jié)構(gòu)設(shè)計、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，只能接近或達到戰(zhàn)術(shù)級導(dǎo)航水平。如何降低硅微陀螺的漂移誤差，尤其是其中的隨機漂移誤差，成為提高硅微陀螺性能的關(guān)鍵。

由于微機械理論和技術(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個數(shù)量級。其中漂移是其主要的誤差源之一。從物理意義和誤差來源常將MEMS陀螺儀漂移分為常值漂移、角度隨機游走、速率隨機游走、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部分，認為是噪聲，實時補償對隨機噪聲無能為力，一般采用時間序列分析法對零漂數(shù)據(jù)進行建模，并使用卡爾曼濾波算法減小MEMS陀螺儀隨機噪聲的影響。因此，實際中要盡可能多地標定其確定部分，減少隨機部分。

表面工藝面硅和體硅微陀螺儀短時漂移，無論采樣頻率高低，仍出現(xiàn)頻率繁雜、功率值不夠顯著的特點，故時域信號近似為隨機過程。此外，溫度對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陀螺儀的零偏隨時間、環(huán)境溫度等因素影響，并帶有極大的隨機性。

1.2 精度

MEMS陀螺儀精度的難點之一是其靈敏度的提高，而MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響靈敏度。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)的精度和成本，尤其是陀螺儀的漂移隨慣性系統(tǒng)位置誤差增長的影響是時間的三次方函數(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量系統(tǒng)目前主要用于一些精度要求較低的場合，因此極大地制約了MEMS陀螺儀的實際應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用深度。如何有效地提高MEMS陀螺儀的實際應(yīng)用精度，不僅是當前各國學(xué)者所關(guān)注和研究的熱點問題，同時也是MEMS陀螺儀在實際工程應(yīng)用中所急需解決的一項技術(shù)難題。有效提高MEMS陀螺儀的實際測量使用精度，是成功開發(fā)和研制由MEMS陀螺儀所組成各類測量系統(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MEMS陀螺儀工作于低壓環(huán)境時，可獲得較高的性能。因此，真空封裝技術(shù)不僅是提高MEMS陀螺儀性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時決定了MEMS陀螺儀的可靠性、長期穩(wěn)定性及其成本，也是實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。MEMS陀螺儀的器件級真空封裝的難點是如何降低封裝應(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。按振動形式分:線振動形式和角振動(旋轉(zhuǎn)振動)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。按檢測方式分:電容檢測、壓阻檢測、壓電檢測、光學(xué)檢測、隧道效應(yīng)檢測和頻率檢測等。按工作模式分:速率陀螺(開環(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:體微機械加工、表面微機械加工和LIGA等。按振動結(jié)構(gòu)分:框架式、梳狀音叉式、振動輪式、振動環(huán)式、振動平板式、雙線振動式和聲表面波式等。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

國內(nèi)的MEMS技術(shù)研究工作起步于1989年，1995年開始將硅微陀螺儀技術(shù)列入國家微納米預(yù)研計劃。目前，國內(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驗室樣品，尚處在實驗階段。相比而言，由于國外研究硅微陀螺儀起步較早，尤其是歐美、日本等主要發(fā)達國家對研制硅微陀螺儀的投入較大，眾多國際知名大學(xué)和公司在對其的研究中均取得了顯著的成就，其研究水平和市場應(yīng)用也處于國際前列。

(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年臺灣的Shih－wei Lai等也研制了一個三框架CMOS－MEMS單片雙軸陀螺［3］，如圖1所示。其特點是選用內(nèi)框驅(qū)動外框檢測(IDOS)來檢測x方向的角速度和外框檢測內(nèi)框驅(qū)動(ISOD)來檢測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、電容檢測的音叉式解耦結(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)動和檢測模態(tài)，兩種工作模態(tài)頻率匹配使陀螺達到一定的靈敏度。其模態(tài)固有頻率相差42 Hz，同時兩階頻率均＞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)振動輪式MEMS陀螺儀。2006年裘安萍等提出了振動輪式MEMS陀螺儀滑膜阻尼的模型［7］，如圖3所示。振動輪式MEMS陀螺儀的滑膜阻尼機理主要包括活動弧形梳齒與固定弧形梳齒間的以及活動結(jié)構(gòu)與襯底之間。該振動輪式MEMS陀螺儀在空氣條件下品質(zhì)因數(shù)Q的測試結(jié)果與理論值的誤差約為16%。

圖3 振動輪式微陀螺結(jié)構(gòu)圖

(4)單晶硅振動環(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)與陽極鍵合的方法制作了單晶硅振動環(huán)陀螺儀［8］，如圖4所示。在制作過程中要保證敏感諧振子的均勻性和對稱性。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的振動環(huán)式微陀螺。

圖4 單晶硅振動環(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。當三相加轉(zhuǎn)電壓為28.3 V時，在大氣環(huán)境下轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速可達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等報道了一種新的高性能絕緣硅(SOI)解耦振動式MEMS陀螺［10］，如圖6所示。該陀螺儀擁有最小電容檢測差距為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)，相比在真空時提高了24倍達2.4 mV/((°)·s－1)。

圖6 新型高性能絕緣硅解耦振動微陀螺結(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)雙線振動式硅微陀螺儀。2005年Saider Emre Alper等報道了一種采用單晶硅體硅溶解薄片法加工工藝制造的對稱解耦雙線振動硅微陀螺儀［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 對稱解耦雙線振動式硅微陀螺結(jié)構(gòu)圖

2008年殷勇等提出了一種結(jié)構(gòu)解耦的雙質(zhì)量雙線振動硅微陀螺儀［13－14］。2010年溫姣等設(shè)計了一種新穎的梳狀音叉雙線振動解耦結(jié)構(gòu)的雙質(zhì)量陀螺儀［15］，如圖9所示。該陀螺通過結(jié)構(gòu)解耦減小驅(qū)動和檢測的相互耦合，結(jié)構(gòu)振動平穩(wěn)性好。左右對稱的雙質(zhì)量設(shè)計使其受加工誤差和溫度變化的影響近乎相同，通過折疊梁連接的設(shè)計使陀螺受加工應(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道了一種Z軸微陀螺的研究［16－17］。2010年美國Hongzhi Sun，等報道了一單片集成CMOS－MEMS慣性測量單元(IMU)［18－20］，如圖10所示。其是由一個3軸加速度計，一個z軸和一個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，并采用了一種改進的深離子刻蝕的post－CMOS批量微加工流程。x/y軸加速度計靈敏度達到191 mV/g，噪聲為35μg/Hz1/2，z軸加速度計的靈敏度為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。利用多勢壘納米膜檢測實現(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)合壓力測量和RTD的I－V特性得出在負電阻區(qū)的谷值點時靈敏度達到最高為1.03×10－4V/MPa?；贕aAs的設(shè)計制作的陀螺儀測量角速度范圍為±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

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)計等方面進行研制:

(1)向中高精度發(fā)展。采用微加工工藝和微組裝工藝實現(xiàn)了混合結(jié)構(gòu)的MEMS陀螺，偏置穩(wěn)定性可達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是沒有加工能力，僅靠平面結(jié)構(gòu)難以達到高性能。

(3)測控線路的數(shù)字化。數(shù)字化是MEMS慣性儀表的發(fā)展趨勢，數(shù)字化的測控電路可方便地補償敏感結(jié)構(gòu)的一些誤差，實現(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。進一步研究MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)及電路的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)慣性級高性能的要求，其中高靈敏度、低噪聲、低漂移和大動態(tài)范圍的測試電路是提高MEMS陀螺儀的關(guān)鍵所在。

(5)在線辨識補償技術(shù)。辨識出MEMS慣性器件的基本性能隨環(huán)境和時間變化而發(fā)生的變化，進而可以對其進行自動補償和校準，甚至可在MEMS慣性器件正常工作的條件下實時進行補償，這對提高MEMS慣性器件的性能具有重要意義。

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

(7)封裝和測試發(fā)展。完善MEMS陀螺儀系統(tǒng)的封裝和測試標定，實現(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現(xiàn)相互正交，并進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，即將慣性計和測試電路相互集成的測量系統(tǒng)，另外還應(yīng)加強微米、納米技術(shù)的研究，只有這樣才能真正實現(xiàn)MEMS慣性器件的單片集成優(yōu)勢。

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