杜宜璋，常洪龍，苑偉政，謝建兵

（西北工業(yè)大學空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室，西安710072）

0 引言

高精度陀螺是慣性導航系統(tǒng)的核心器件,最早的高精度全對稱陀螺是1960年研制出的固體波動陀螺,用于衛(wèi)星的慣性導航系統(tǒng)。其結構是一個三維的石英諧振陀螺,它具有精度高、能耗小、結構簡單、準備時間短、工作溫度范圍大、抗電離輻射能力強、對線性過載不敏感、使用壽命長等特點。但是,由于其加工制造十分復雜,不利于批量化的生產。隨著微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System,MEMS）技術的不斷發(fā)展,微機械陀螺以其體積小、質量小、功耗低、適于批量化生產而受到重視,各發(fā)達國家紛紛展開研究和應用。2001年,第一個二維單環(huán)MEMS陀螺問世。隨后,環(huán)形陀螺進入長足發(fā)展階段,結構由單環(huán)到多環(huán),由圓環(huán)到正多邊環(huán),在不斷的改進變換。全對稱環(huán)形陀螺的工藝路線也由最開始的HARPSS工藝發(fā)展到外延多晶硅的封裝工藝以及鍵合圓片級封裝工藝。

美國等發(fā)達國家始終未停止對高性能環(huán)形全對稱結構MEMS慣性器件的研制步伐,已在實戰(zhàn)中經(jīng)過檢驗。英國BAE系統(tǒng)公司在20世紀90年代開始諧振環(huán)陀螺的研制,產品已批量用于APKWS制導炸彈、NLAW反裝甲武器以及155mm雷神制導炮彈和衛(wèi)星等。波音公司研制的多環(huán)諧振微機械陀螺產品用于高速旋轉彈、中程導彈和美國155mm制導神箭炮彈等武器系統(tǒng)。2012年,ESA研究的空間用MEMS諧振環(huán)陀螺已在Cryosat2衛(wèi)星完成了在軌驗證,并應用于2018年發(fā)射的火星車中。發(fā)達國家已實現(xiàn)了全對稱環(huán)形固體波動陀螺的 “中高精度、低成本、高可靠、大批量、中端軍用”應用設想。隨著微制造技術的不斷發(fā)展,高精度的硅微半球陀螺和全對稱多環(huán)形固體波動陀螺以及多傳感集成技術正在興起。

圖1 駐波進動原理Fig.1 Principle of standing wave precession

1 環(huán)形陀螺理論及發(fā)展歷程

1.1 對稱固體波動理論

圓環(huán)式微機械陀螺是一個圓環(huán)狀的諧振結構,其驅動與檢測共用這個圓環(huán)式諧振器,圓環(huán)諧振器工作在形狀振動模態(tài)而不是擺動振動模態(tài)。圓環(huán)式陀螺與諧振和音叉的區(qū)別在于前者是由科氏力使其諧振結構的形狀發(fā)生改變,而后兩者是科氏力改變了諧振結構的位置。

圖1為環(huán)形諧振器陀螺的原理圖。在驅動單元的激勵下,諧振圓環(huán)在一階振動模態(tài)振動,圓依次變?yōu)闄E圓-圓-旋轉90°的橢圓-圓,完成一個周期的振動。當橢圓的長軸為豎直軸時,圓環(huán)的受力為豎直方向受拉伸力、水平方向受壓力。當橢圓的長軸為水平軸時,圓環(huán)的受力為豎直方向受壓力、水平方向受拉力。一階振動模態(tài)的振動節(jié)點為45°、135°、225°和315°,二階振動模態(tài)與一階振動模態(tài)的頻率相同,只是長軸旋轉了45°,即振動節(jié)點為0°、90°、180°和270°。 在驅動的激勵下, 諧振環(huán)只在其一階振動模態(tài)振動。當諧振環(huán)旋轉時,在科氏力的激勵下,諧振環(huán)在二階振動模態(tài)振動。

如果諧振的幅值和頻率分別為X0和ω,振動位移xd（t）和速度ud（t）分別為xd（t）=X0sinωt和ud（t）=X0ωcosωt。 于是, 科氏加速度ac為

科氏力Fc可以從式（1）得到

科氏力與彈性結構變形產生的反作用力平衡,當彈性結構的剛度為k、變形為xc時,根據(jù)科氏力公式,可得到Fc=kxc=mac=2mΩX0ωcosωt, 于是

當諧振環(huán)工作在諧振模態(tài)時,振動幅值被放大Q倍。因此,式（2）變?yōu)?/p>

由式（3）可以得出,在其他參數(shù)都相同時,品質因數(shù)Q極大的影響到分辨率。

當然,上述理論是在二階模態(tài)（波腹軸相差45°）下的振型轉換,也有在三階模態(tài)（波腹軸相差30°）下的振型轉換,兩種不同模態(tài)都是通過駐波進動方式進行模態(tài)轉換的[1]。陀螺振型的三階模態(tài)如圖2所示。

圖2 三階模態(tài)的陀螺振型Fig.2 Third-order modals of gyroscope vibration type

基于固體波動理論建立的陀螺就是速率積分陀螺,不僅能夠實現(xiàn)角速率的測量,還可以對轉動全角進行測量。速率積分陀螺相對于速率陀螺具有很多優(yōu)勢,如動態(tài)范圍更大、沒有帶寬限制、噪聲不隨時間累積等。

1.2 環(huán)形MEMS陀螺結構演變

環(huán)形MEMS陀螺是在半球諧振陀螺的基礎上演變而來的,石英半球諧振陀螺的演變過程如圖3所示。

圖3 環(huán)形諧振陀螺的來源Fig.3 Origin of the ring resonator gyroscope

單環(huán)諧振式微機械陀螺包括：振動環(huán)、柔性支撐梁、靜電驅動和測量電極[2]。諧振環(huán)固定在中心的錨點上,由8個均勻分布的半圓形柔性支撐梁支撐,支撐梁的直徑是諧振環(huán)的半徑。諧振環(huán)采用靜電驅動和電容檢測,諧振環(huán)共有16個驅動和測量電極（激勵電極和控制電極為8個,測量電極為8個）,分別在間隔45°的節(jié)點或者波腹位置。通過測量電極的測量諧振變形引起的極板間的電容變化,來檢測角速度的大小。諧振環(huán)到驅動電極的間距可以遠大于測量電極與諧振環(huán)的間距,從而增加驅動幅度來降低噪聲。所有器件均為力學性能優(yōu)異的硅和多晶硅,陀螺靈敏度高、長期穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)低。諧振環(huán)陀螺的品質因子為40000,10Hz帶寬時的分辨率為0.0025（°）/s。

日本Silicon Sensing公司所制造的單環(huán)陀螺如圖4所示,其采用電磁驅動和測量。該陀螺使用永磁體產生磁場,諧振環(huán)在電流流過時被激勵,科氏力使諧振環(huán)運動切割磁場產生感應電動勢,通過測量電動勢來測量角速度。該陀螺的動態(tài)范圍為 100（°）/s, 噪聲小于 0.03（°）/s/Hz1/2。

圖4 電磁驅動單環(huán)形諧振陀螺Fig.4 Electromagnetic driven single ring resonant gyroscope

波音公司對于高性能MEMS陀螺的研制路線如圖5所示。噴氣推進實驗室和波音公司在單環(huán)諧振陀螺的基礎上提出了多環(huán)結構的MEMS碟形陀螺方案,即多環(huán)諧振盤式陀螺[3]。多環(huán)諧振陀螺如圖6所示,多環(huán)結構在環(huán)間嵌入電極,可增加檢測和驅動的電容,從而提高了陀螺的檢測靈敏度。而多環(huán)結構相比于單環(huán)結構增加了有效振動質量,使得機械Brown噪聲降低,從而使得信噪比增大。在美國DARPA導航級集成微陀螺（NGIMG）項目支持下,諧振盤陀螺的研究取得了突破性進展?；?mm直徑硅材料的諧振盤陀螺實現(xiàn)了零漂穩(wěn)定性優(yōu)于 0.01（°）/h,角度隨機游走優(yōu)于0.002（°）/h/Hz1/2。為進一步縮小和HRG的性能差距,基于8mm直徑石英玻璃材料或更大直徑的諧振盤陀螺正在研制中。預期目標是諧振盤陀螺的Q值提高1～2個數(shù)量級,角度隨機游走提升1個數(shù)量級。

2013年,美國Stanford大學也研制出了一種多環(huán)諧振陀螺[4-5],其結構如圖7所示。該陀螺同樣為中心錨點支撐,采用多圈同心圓環(huán),通過彈性梁連接多環(huán)作為諧振結構。其結構最外環(huán)直徑為600μm,整體厚度為 20μm,品質因數(shù)約為100000,閉環(huán)刻度因子及角度隨機游走分別為0.286mV/[（°）/s]和 0.006（°）/h/Hz1/2。 在沒有對溫度精確控制的情況下,零漂穩(wěn)定性為1.15（°）/h。

美國Stanford大學對于多環(huán)諧振陀螺的結構沒有做太大的改動,而是主要是針對兩模態(tài)之間的頻率裂解做了一些研究。比如,改變多環(huán)諧振陀螺的環(huán)連接輻條角度和多環(huán)諧振陀螺的環(huán)寬,看這兩個因素對<100>單晶硅制造結構的頻率裂解的影響[6]。

圖5 波音公司高性能MEMS陀螺研制路線Fig.5 High-performance MEMS gyroscopes route developed by Boeing

圖6 多環(huán)諧振陀螺Fig.6 Multi-ring resonant gyroscope

圖7 美國Stanford大學研制的多環(huán)諧振陀螺Fig.7 Multi-ring resonant gyroscope developed by Stanford University

2018年,國防科技大學發(fā)表論文闡述了減輕熱彈性阻尼和提高衰減時間常數(shù)的機理[7],并對上述器件實現(xiàn)了加工,器件實物圖如圖8所示。測試得出,衰減時間常數(shù)為38.5s,品質因數(shù)高達358000,零漂穩(wěn)定性為0.08（°）/h,角度隨機游走為0.012（°）/h/Hz1/2。國防科技大學研制的多環(huán)諧振陀螺的精度已達到較高水平,該陀螺采用了懸掛質量的方式降低諧振頻率,以提高品質因數(shù)。這在一定程度上可以提高陀螺精度,但模態(tài)質量大大增加,抗沖擊性能隨之下降,在工程應用中的工作可靠性有所降低。

圖8 剛度質量耦合陀螺Fig.8 Stiffness mass coupled gyroscope

2018年,國防科技大學還提出了一種新型結構——蜂巢狀盤型諧振器[8],如圖9所示,并初步測試了蜂窩狀盤式諧振器陀螺的性能。蜂窩狀盤式諧振器陀螺在室溫下沒有任何補償?shù)腁llan零漂穩(wěn)定性約為8.9（°）/h,角度隨機游走可以計算為0.3（°）/h/Hz1/2。

圖9 蜂巢狀結構陀螺Fig.9 Honeycomb structure gyroscope

蘇州大學也于2018年提出了一種新型結構——蜘蛛網(wǎng)狀盤型諧振器[9],如圖10所示。實驗結果表明,閉環(huán)控制感應模式的陀螺比例因子從7.9mV/[（°）/s]提高到了 19.1mV/[（°）/s], 零漂穩(wěn)定性從 11.19（°）/h 降低為 0.43（°）/h。

圖10 蜘蛛網(wǎng)狀結構陀螺Fig.10 Spider-web gyroscope

表1 環(huán)形陀螺的結構對比Table 1 Structures comparison of ring gyroscope

由表1可知,不論是圓環(huán)、蜂巢狀諧振盤、蜘蛛網(wǎng)狀諧振盤,它們的結構都是全對稱的結構。結構具有對稱性的優(yōu)點是諧振頻率匹配好,對振動和加速度具有很好的抑制能力。另外,由于環(huán)形諧振器沒有集中的大質量,抗沖擊和振動能力遠高于大質量塊結構。圓環(huán)式微機械陀螺用于驅動和測量的彎曲振動模式完全相同,因此,靈敏度被放大了Q的倍數(shù),并具有更小的溫度系數(shù)。靜電驅動和電容檢測的方法易于實現(xiàn),并且靈敏度高。在諧振環(huán)間嵌入電極施加電壓對諧振環(huán)振動進行控制,可以采用電路補償?shù)姆椒ń档椭C振環(huán)質量和剛度的不均勻性,從而降低錨點的能量損耗,實現(xiàn)了更高的Q值和頻率對稱性。整體結構除了錨點外均為懸空結構,封裝產生的應力對結構影響很小。因為全對稱的多環(huán)結構有上述優(yōu)勢,所以多環(huán)諧振陀螺有成為高性能陀螺的潛力。

2 環(huán)形陀螺工藝的綜述

2001年,第一個環(huán)形陀螺采用的是高深寬比多晶與單晶硅結合（HARPSS）工藝制造的[2], 利用HARPSS工藝制造的單晶硅諧振環(huán)陀螺具有較高的分辨率和良好的穩(wěn)定性。圖11為HARPSS工藝流程。

圖11 HARPSS工藝流程Fig.11 Process of HARPSS

如圖11（a）所示,沉積SiO2以增加介質層的厚度,減小電極和襯底之間的寄生電容,用低壓化學氣相沉積法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD）沉積250nm的Si3N4,刻蝕形成后續(xù)釋放過程的阻擋層和絕緣層。利用厚光刻膠掩膜,用深反應離子刻蝕法（Deep Reactive Ion Etching,DRIE）刻蝕6μm寬的深槽,深度要超過諧振器結構的高度。如圖11（b）所示,LPCVD沉積并刻蝕SiO2犧牲層,開出Si3N4窗口。沉積4μm厚的多晶硅,使深槽內部的SiO2上均勻覆蓋多晶硅,并對SiO2犧牲層摻硼使表面的硼進入多晶硅。去除表面的多晶硅并刻蝕下面的SiO2,形成多晶結構的錨點。在表面沉積多晶硅,摻雜并刻蝕,形成表面需要的形狀。如圖11（c）所示,在多晶硅表面沉積Cr/Au,利用剝離形成電連接。使用DRIE法刻蝕,深度比前面刻蝕結構深10μm～20μm。達到刻蝕深度后,只通入SF6進行各向同性橫向刻蝕,去除微結構下面的單晶硅,釋放結構。如圖11（d）所示,去除光刻膠掩膜和SiO2,釋放微結構,形成電極和諧振結構之間的間隙和電容。

最終加工出如圖12所示的結果,諧振環(huán)的高度為80μm,直徑2mm,錨點支撐柱直徑400μm,支撐梁和諧振環(huán)的寬度均為4μm。

2013年,美國Stanford大學提出了一種外延多晶硅的制造和封裝方式,來實現(xiàn)圓片級封裝技術[4], 具體如圖 13 所示。

圖12 單環(huán)諧振陀螺Fig.12 Single ring resonant gyroscope

圖13 外延多晶硅制造及封裝方法Fig.13 Manufacturing and packaging method of epitaxial Polysilicon

美國Stanford大學利用上述方法完成了多環(huán)諧振陀螺的制造,并且進行了圓片級封裝,大大降低了陀螺成本。因為沒有后續(xù)封裝帶來的應力影響,從而保證了陀螺性能的一致性。同時,該方法也提高了陀螺的精度和良品率。

相比于國外成熟的加工工藝,我國的加工工藝大多還停留在芯片級加工封裝地步[7]。西北工業(yè)大學基于絕緣體上硅（Silicon on Insulator,SOI）工藝也設計加工了一款多環(huán)諧振微機械陀螺,SOI的工藝路線如圖14所示,該方法工藝簡單便于實施：1）使用BOE漂洗,目的是去除硅片表面的原生氧化層,保證不會對之后的刻蝕產生不利影響；2）加工金屬電極PAD,保證后續(xù)芯片級封裝打線；3）為將器件層刻蝕為多環(huán)結構,使用DRIE法進行刻蝕；4）對器件可動結構的釋放,使器件由不可動變?yōu)榭蓜印?/p>

圖14 SOI工藝示意圖Fig.14 Process diagram of SOI

2018年,國防科技大學基于硅-硅鍵合工藝實現(xiàn)了剛度質量耦合的多環(huán)諧振微機械陀螺的加工[10],其工藝路線如圖15所示。

圖15 硅-硅鍵合工藝Fig.15 Process of Silicon-Silicon bonding

表2 不同工藝對比Table 2 Comparison of different processes

利用HARPSS工藝可以實現(xiàn)高深寬比的多晶硅結構,但從表2中可以明顯看到單晶硅結構的品質因數(shù)較高,這是因為單晶硅具有更低的缺陷和更好的力學性能。而在諧振器件中,大質量有助于提高分辨率,而制造寬結構（大于20μm）只有利用襯底單晶硅才能實現(xiàn)。硅-硅鍵合技術就采用了單晶硅制造工藝,臺階鍵合的方法有效的克服了DRIE法可能面臨的foot效應。

通過對比可以看到,國外的多環(huán)諧振陀螺的工藝已經(jīng)發(fā)展成熟,并且實現(xiàn)了圓片級封裝及工程化應用。而國內的MEMS工藝還停留在表頭研制階段,雖然取得一些成果,但是距離工程化應用還是有一定的距離。

3 多環(huán)諧振陀螺的未來發(fā)展方向

多環(huán)諧振微機械陀螺將不斷突破,引入許多新的關鍵技術,從而在現(xiàn)有的技術基礎上進一步提高精度,在未來的高端應用領域得到越來越廣泛的應用。未來高端MEMS陀螺關鍵技術主要面向以下幾個方面。

3.1 靜電平衡調整技術

MEMS工藝誤差總是不可避免的,高精度MEMS陀螺對工藝誤差非常敏感。工藝誤差會帶來器件剛度和阻尼的不對稱,導致驅動模態(tài)和敏感模態(tài)存在頻差。對于駐波進動的多環(huán)諧振陀螺而言,由于其兩個模態(tài)之間存在頻差,陀螺的靈敏度降低,精度大打折扣。工藝誤差存在隨機性,因此高精度MEMS陀螺的良品率很低。對工藝誤差進行校正、調整是目前保障高精度陀螺成品率的重要技術途徑,靜電平衡調整技術是高效率、低成本的調整手段。靜電平衡原理主要是利用靜電力產生的負剛度效應來調整剛度對稱性,使驅動模態(tài)和敏感模態(tài)頻率趨于一致。

3.2 高Q值的真空封裝技術

高品質因子的陀螺能夠得到更好的性能和更高的精度。陀螺在真空條件下工作,其空氣阻尼幾乎為零。但是,目前所面臨的現(xiàn)狀是芯片級封裝成本太高,不利于批量化生產。圓片級封裝雖然可行,但目前還不能提供給陀螺長期穩(wěn)定的工作環(huán)境,因為圓片級封裝的真空強度會隨著時間增加而減小。

3.3 MEMS環(huán)形陀螺與CMOS集成技術

片上系統(tǒng)的概念是基于單芯片結構提出的,包括傳感器芯片和處理電路在內,集所有的模塊在一個芯片上。模塊集成的最大困難是不同的功能模塊需要采用不同的制造工藝,這些工藝無法兼容和互相取代,許多功能模塊甚至連襯底材料都不相同。未來,利用三維集成技術實現(xiàn)陀螺和其他MEMS器件及CMOS的立體集成將是一項全新的工藝技術。

3.4 速率積分控制技術

速率積分陀螺也稱全角模式陀螺,速率積分陀螺相對于速率陀螺具有很多優(yōu)勢：動態(tài)范圍更大、沒有帶寬限制、噪聲誤差不隨時間累積等。因此,速率積分陀螺是未來高精度陀螺的重要發(fā)展方向之一,速率積分控制技術則是實現(xiàn)速率積分陀螺的關鍵技術。

4 結論

多環(huán)諧振微機械陀螺是在半球諧振陀螺的基礎上發(fā)展而來的,相比于半球諧振陀螺更便于加工和批量化生產。因為其具有全對稱特性,因此具有良好的環(huán)境適應性。美國和歐洲多家軍工企業(yè)制造的MEMS陀螺均采用全對稱特性的MEMS平面陀螺設計與加工技術。國外的工藝路線已經(jīng)成熟,達到圓片級封裝的工藝水平,而國內的工藝仍停留在芯片級表頭研制階段。隨著一些關鍵技術的突破,具有全對稱性的MEMS陀螺將是未來高端MEMS陀螺的研制方向。