湯浩江，姜 波，朱欣華，蘇 巖

（南京理工大學 機械工程學院·南京·210096）

0 引 言

陀螺儀是測量物體相對于慣性空間運動角度、角速度、角加速度的傳感器，在軍事和民用領域都有廣泛應用。目前,激光陀螺、光纖陀螺、半球諧振陀螺占據(jù)高精度市場，盡管它們可以滿足戰(zhàn)術武器要求，但是其體積和質量較大、功耗較高，且工藝、成本等問題制約著其在其他領域的應用與發(fā)展。微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）科氏力振動陀螺具有體積小、質量小、功耗低、成本低的優(yōu)勢，故其在高精度姿態(tài)控制、短時智能設備導航等領域有著廣泛的應用前景。目前問世的高精度MEMS陀螺主要分為兩類，一種是傳統(tǒng)的集中質量式陀螺，其工作模態(tài)分為驅動模態(tài)和檢測模態(tài)，在外界角速度輸入情況下檢測模態(tài)檢測到位移信號；另一種是固體波動陀螺，其工作原理是基于旋轉軸對稱結構彈性波的慣性效應。環(huán)形陀螺是固體波動陀螺中的一種，目前以環(huán)形拓撲結構為代表的科氏力振動陀螺正成為該領域的主流技術方案之一。相較于其他MEMS陀螺，其扁平化、緊湊的軸對稱結構適用于當前的MEMS硅加工工藝，有利于實現(xiàn)MEMS陀螺的批量加工，也易于實現(xiàn)模態(tài)匹配，提高陀螺在開環(huán)模式下的靈敏度和信噪比，故環(huán)形科氏力振動陀螺被認為是最具高性能應用潛力的陀螺類型之一，國內外機構針對該類型陀螺開展了很多研究工作。本文回顧了環(huán)形科氏力陀螺的發(fā)展歷程，并綜述了近幾年國內外研究機構在環(huán)形科氏力陀螺關鍵技術上的研究進展，梳理了該類型陀螺潛在的發(fā)展方向，為國內外同行開展該類型陀螺結構科學研究，提高MEMS科氏力振動陀螺性能提供了參考和借鑒。

1 環(huán)形科氏力振動陀螺發(fā)展概況

環(huán)形科氏力振動陀螺最早是由半球諧振陀螺演變而來，經(jīng)過國內外研究團隊的一系列探索工作，發(fā)展成為不同的結構方向和工藝路線，形成了不同的結構形式，如圖1所示。

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

1.1 單環(huán)陀螺

（a） 單晶硅振動環(huán)形結構

（b） Silicon Sensing的單環(huán)陀螺結構

（c） 電子所設計的單環(huán)陀螺結構 圖2 單環(huán)陀螺結構構型Fig.2 Structure configuration of single ring gyroscope

2010年，中國科學院電子學研究所也設計并加工了一款單環(huán)振動陀螺，其結構如圖2（c）所示。該陀螺采用新的制造方案，基于全硅、高深寬比MEMS制造技術加工。其真空狀態(tài)下的值可達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)陀螺結構是目前環(huán)形陀螺結構的主流技術方案，相對于單環(huán)陀螺的科氏質量和等效質量更大，結構對稱度更高，電極布置方式也更為自由，靜態(tài)性能和動態(tài)性能均有所提高。

圖3 加州大學歐文分校設計的錨點在外、電極在內的多環(huán)諧振子結構示意圖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，斯坦福大學的T.W.Kenny團隊開發(fā)出一種環(huán)與環(huán)之間內部電極的加工工藝，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諧電壓和正交抑制電壓得到降低，并提高了MEMS陀螺的檢測靈敏度。

圖5 斯坦福大學T.W.Kenny團隊提出的內部電極的多環(huán)陀螺結構示意圖Fig.5 The schematic structure of DRG with internal electrodes proposed by T.W. Kenny of Stanford University

圖6 ADI公司提出的內外錨點多環(huán)陀螺結構方案Fig.6 The structure scheme of inner and outer anchor DRG proposed by ADI company

國內方面也有多家單位在進行高精度多環(huán)陀螺的研究工作。2017年，國防科技大學的吳學忠團隊提出了一種懸掛質量式的環(huán)形陀螺結構，如圖7所示。該方案通過在環(huán)間隙中嵌入質量塊來提高陀螺的等效質量，從而在一定程度上降低了多環(huán)諧振子的熱彈性阻尼，提高了結構的等效剛度，使得MEMS環(huán)形陀螺同時擁有高品質因數(shù)和低諧振頻率的特性。

圖7 國防科大提出的懸掛質量式環(huán)形陀螺結構Fig.7 Suspended mass ring gyroscope designed by NUDT

1.3 實心盤形

實心盤形結構也是環(huán)形陀螺的一種高性能結構方案。佐治亞理工學院在2006年首先報道了一種電容式單晶硅圓盤諧振器。該結構由單晶硅諧振盤構成，在溝槽中嵌有驅動和檢測電極，擁有在MHz范圍內的諧振頻率。結構基于高長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，無需納米光刻，減小了結構不對稱度帶來的影響，實現(xiàn)了較低的加工成本，在大氣環(huán)境中工作的值可達26000。2015年，佐治亞理工學院又提出了一種襯底解耦式的盤形振動陀螺。該結構采用（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因數(shù)可達1300000，并且頻率裂解僅為110Hz，在大氣環(huán)境中工作的值也可達100萬以上。其結構如圖8所示。

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

1.4 工藝路線

根據(jù)敏感結構的形成方式，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面積，降低MEMS陀螺的輸出噪聲，提高分辨率。敏感結構一般為（100）或（111）晶向的單晶硅，該種材料具有很強的各向異性。另一種是依托于低壓化學氣相沉積（Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD）的外延生長工藝，以斯坦福大學為代表。目前，由于鍵合工藝的成品率問題，基于外延生長的技術路線也被大多數(shù)商業(yè)化的三軸陀螺采用。受工藝因素影響和制約，該技術路線的敏感結構為具有各向同性的多晶硅結構。

2 高性能方案

環(huán)形科氏力振動陀螺經(jīng)過多年的發(fā)展，其結構形式已經(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性能方面。高性能陀螺的技術解決途徑正在圍繞實現(xiàn)高品質因數(shù)、長衰減時間系數(shù)，同時盡量減小頻率裂解、實現(xiàn)陀螺樣機的模態(tài)匹配等方面展開。

2.1 品質因數(shù)提高

對于提高環(huán)形陀螺品質因數(shù)的研究主要集中在結構材料、加工工藝以及環(huán)形拓撲結構的設計和優(yōu)化上。對于結構優(yōu)化，目前主要有兩種路線，一種是改變環(huán)形科氏力振動陀螺的拓撲結構，另一種是優(yōu)化多環(huán)諧振子的結構參數(shù)。國內外團隊都對環(huán)形陀螺的結構參數(shù)做了大量研究工作。斯坦福大學的T.W.Kenny團隊發(fā)現(xiàn)，改變多環(huán)諧振子的幾何參數(shù)會影響陀螺的品質因數(shù)和動力學特性。該團隊通過仿真和實驗驗證了優(yōu)化多環(huán)陀螺結構的輻條長度，能夠有效地改變諧振子的熱傳導效率，降低其熱彈性阻尼，從而提高諧振器的品質因數(shù)，如圖9所示。加州大學歐文分校還報道了一種通過修調結構參數(shù)調整環(huán)形陀螺模態(tài)分布順序的方案。國防科技大學分析了MEMS陀螺品質因數(shù)的改善機理，并在此基礎上提出了兩種剛度—質量解耦的方法：多環(huán)結構的壁厚分布優(yōu)化和集中質量結構設計，并設計了新型的多環(huán)陀螺結構。新型的多環(huán)諧振子通過懸掛質量的方式，減小了熱彈性阻尼，提高了結構的等效剛度，實際測得的品質因數(shù)和衰減時間系數(shù)分別達到了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。

圖9 T.W.Kenny團隊對多環(huán)陀螺輻條長度優(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)動力學模型和熱彈性阻尼模型的結合。此項工作完善了對多環(huán)諧振子結構的優(yōu)化設計，為環(huán)形陀螺的結構設計及優(yōu)化工作建立了理論基礎。

佐治亞理工學院報道的襯底解耦式盤形陀螺擁有較高的品質因數(shù)，同時具有諧振頻率高、抗振動性能突出的優(yōu)勢，但是對加工工藝要求較高。同時該大學還開展了以新材料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因數(shù)?；谠摬牧现谱鞯腟iC BAW陀螺頻率裂解為215Hz，值可達170000。但是這種材料的缺點是材料堅硬，刻蝕難度大。

2.2 模態(tài)匹配方法

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

為了減小頻率裂解，加州大學洛杉磯分校報道了一種對諧振子進行質量修調的晶圓級技術，如圖10所示。這種技術通過機械修調的方式，在諧振器特定位置上刻蝕出圓形凹坑，并通過在圓形凹坑上添加焊料進行單個模態(tài)頻率的修調，從而有效減小了頻率裂解。但是這種方式調諧效率很低，難以實現(xiàn)大批量的調諧，且無法應用于封裝后的陀螺調諧。

圖10 加州大學洛杉磯分校報道的頻率裂解的機械修調方案Fig.10 The mechanical tuning scheme of frequency cracking reported by UCLA

斯坦福大學的T.W.Kenny團隊通過修調部分結構參數(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以內。斯坦福大學還報道了一種靜電調諧方式，用于抑制溫度頻率系數(shù)帶來的頻率裂解現(xiàn)象。該方案通過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對齊，從而改變每個諧振模態(tài)下頻率和溫度的相關性。國防科技大學提出的蜂巢式環(huán)形結構和蘇州大學提出的蛛網(wǎng)式環(huán)形結構（見圖11），從結構設計角度出發(fā)，用短直梁替代傳統(tǒng)環(huán)形諧振子的弧狀結構，這種梁構型對加工誤差的敏感性更低，加工出來的結構經(jīng)實驗驗證，頻率對稱性優(yōu)于傳統(tǒng)的多環(huán)諧振陀螺。

圖11 環(huán)形陀螺的創(chuàng)新結構設計Fig.11 Innovative structure design of ring gyroscope

3 總結與展望

本文回顧了環(huán)形科氏力振動陀螺的發(fā)展歷程，并對環(huán)形陀螺的結構方向和工藝特點以及近年來的一些研究熱點進行了總結。環(huán)形陀螺憑借其良好的性能和對稱性的結構設計，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但目前其性能仍無法達到導航級陀螺的性能水平，未來高性能MEMS環(huán)形陀螺仍然是國內外團隊的研究重點，其發(fā)展方向將圍繞以下幾方面展開：

1）新工藝、新材料、新機理的研究 。想要進一步提升陀螺樣機的性能，需要從諧振器的能量耗散機理出發(fā)，對諧振器本身的特性進行研究，因此離不開對結構材料、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將是研究熱點。

2）控制系統(tǒng)的完善。環(huán)形結構的剛度軸和阻尼軸偏轉會給陀螺帶來長期漂移，且溫度、時間帶來的頻率裂解現(xiàn)象也會對陀螺性能產(chǎn)生較大影響。因此，對陀螺控制系統(tǒng)的完善，環(huán)形陀螺的控制系統(tǒng)中需要引入自動匹配技術和模態(tài)識別技術。