环形科氏力振动陀螺发展情况概述*

汤浩江，姜 波，朱欣华，苏 岩

（南京理工大学 机械工程学院·南京·210096）

0 引 言

陀螺仪是测量物体相对于惯性空间运动角度、角速度、角加速度的传感器，在军事和民用领域都有广泛应用。目前,激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振陀螺占据高精度市场，尽管它们可以满足战术武器要求，但是其体积和质量较大、功耗较高，且工艺、成本等问题制约着其在其他领域的应用与发展。微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）科氏力振动陀螺具有体积小、质量小、功耗低、成本低的优势，故其在高精度姿态控制、短时智能设备导航等领域有着广泛的应用前景。目前问世的高精度MEMS陀螺主要分为两类，一种是传统的集中质量式陀螺，其工作模态分为驱动模态和检测模态，在外界角速度输入情况下检测模态检测到位移信号；另一种是固体波动陀螺，其工作原理是基于旋转轴对称结构弹性波的惯性效应。环形陀螺是固体波动陀螺中的一种，目前以环形拓扑结构为代表的科氏力振动陀螺正成为该领域的主流技术方案之一。相较于其他MEMS陀螺，其扁平化、紧凑的轴对称结构适用于当前的MEMS硅加工工艺，有利于实现MEMS陀螺的批量加工，也易于实现模态匹配，提高陀螺在开环模式下的灵敏度和信噪比，故环形科氏力振动陀螺被认为是最具高性能应用潜力的陀螺类型之一，国内外机构针对该类型陀螺开展了很多研究工作。本文回顾了环形科氏力陀螺的发展历程，并综述了近几年国内外研究机构在环形科氏力陀螺关键技术上的研究进展，梳理了该类型陀螺潜在的发展方向，为国内外同行开展该类型陀螺结构科学研究，提高MEMS科氏力振动陀螺性能提供了参考和借鉴。

1 环形科氏力振动陀螺发展概况

环形科氏力振动陀螺最早是由半球谐振陀螺演变而来，经过国内外研究团队的一系列探索工作，发展成为不同的结构方向和工艺路线，形成了不同的结构形式，如图1所示。

图1 环形振动陀螺发展趋势Fig.1 Development trend of ring vibratory gyroscope

1.1 单环陀螺

（a） 单晶硅振动环形结构

（b） Silicon Sensing的单环陀螺结构

（c） 电子所设计的单环陀螺结构 图2 单环陀螺结构构型Fig.2 Structure configuration of single ring gyroscope

2010年，中国科学院电子学研究所也设计并加工了一款单环振动陀螺，其结构如图2（c）所示。该陀螺采用新的制造方案，基于全硅、高深宽比MEMS制造技术加工。其真空状态下的值可达22000，陀螺分辨率为0.05（°）/s，量程为±50（°）/s。

1.2 多环陀螺

多环陀螺结构是目前环形陀螺结构的主流技术方案，相对于单环陀螺的科氏质量和等效质量更大，结构对称度更高，电极布置方式也更为自由，静态性能和动态性能均有所提高。

图3 加州大学欧文分校设计的锚点在外、电极在内的多环谐振子结构示意图Fig.3 The structure of DRG with external anchor and internal electrode designed by UC Irvine

图4 参数控制电极布置及控制方案Fig.4 Parameter driven electrode arrangement and control scheme

2015年，斯坦福大学的T.W.Kenny团队开发出一种环与环之间内部电极的加工工艺，该工艺将中小型电极差分布置（图5），极大地增加了谐振器电容传感的面积，使得控制回路中所需的调谐电压和正交抑制电压得到降低，并提高了MEMS陀螺的检测灵敏度。

图5 斯坦福大学T.W.Kenny团队提出的内部电极的多环陀螺结构示意图Fig.5 The schematic structure of DRG with internal electrodes proposed by T.W. Kenny of Stanford University

图6 ADI公司提出的内外锚点多环陀螺结构方案Fig.6 The structure scheme of inner and outer anchor DRG proposed by ADI company

国内方面也有多家单位在进行高精度多环陀螺的研究工作。2017年，国防科技大学的吴学忠团队提出了一种悬挂质量式的环形陀螺结构，如图7所示。该方案通过在环间隙中嵌入质量块来提高陀螺的等效质量，从而在一定程度上降低了多环谐振子的热弹性阻尼，提高了结构的等效刚度，使得MEMS环形陀螺同时拥有高品质因数和低谐振频率的特性。

图7 国防科大提出的悬挂质量式环形陀螺结构Fig.7 Suspended mass ring gyroscope designed by NUDT

1.3 实心盘形

实心盘形结构也是环形陀螺的一种高性能结构方案。佐治亚理工学院在2006年首先报道了一种电容式单晶硅圆盘谐振器。该结构由单晶硅谐振盘构成，在沟槽中嵌有驱动和检测电极，拥有在MHz范围内的谐振频率。结构基于高长宽比的多晶硅和单晶硅（High Aspect-Ratio Combined Poly and Single-Crystal Silicon, HARPSS）工艺加工制造，无需纳米光刻，减小了结构不对称度带来的影响，实现了较低的加工成本，在大气环境中工作的值可达26000。2015年，佐治亚理工学院又提出了一种衬底解耦式的盘形振动陀螺。该结构采用（100）硅制造，工作在=3的酒杯模态。在2.745MHz的工作频率下其品质因数可达1300000，并且频率裂解仅为110Hz，在大气环境中工作的值也可达100万以上。其结构如图8所示。

图8 衬底解耦式盘形陀螺Fig.8 Substrate-decoupled silicon disk resonators

1.4 工艺路线

根据敏感结构的形成方式，环形陀螺的加工工艺分为两种路线，一种是依托于键合的高深宽比的单晶硅工艺，该工艺可以有效地提高电容检测面积，降低MEMS陀螺的输出噪声，提高分辨率。敏感结构一般为（100）或（111）晶向的单晶硅，该种材料具有很强的各向异性。另一种是依托于低压化学气相沉积（Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD）的外延生长工艺，以斯坦福大学为代表。目前，由于键合工艺的成品率问题，基于外延生长的技术路线也被大多数商业化的三轴陀螺采用。受工艺因素影响和制约，该技术路线的敏感结构为具有各向同性的多晶硅结构。

2 高性能方案

环形科氏力振动陀螺经过多年的发展，其结构形式已经趋于稳定，目前的主要研究方向都集中在提升陀螺样机性能方面。高性能陀螺的技术解决途径正在围绕实现高品质因数、长衰减时间系数，同时尽量减小频率裂解、实现陀螺样机的模态匹配等方面展开。

2.1 品质因数提高

对于提高环形陀螺品质因数的研究主要集中在结构材料、加工工艺以及环形拓扑结构的设计和优化上。对于结构优化，目前主要有两种路线，一种是改变环形科氏力振动陀螺的拓扑结构，另一种是优化多环谐振子的结构参数。国内外团队都对环形陀螺的结构参数做了大量研究工作。斯坦福大学的T.W.Kenny团队发现，改变多环谐振子的几何参数会影响陀螺的品质因数和动力学特性。该团队通过仿真和实验验证了优化多环陀螺结构的辐条长度，能够有效地改变谐振子的热传导效率，降低其热弹性阻尼，从而提高谐振器的品质因数，如图9所示。加州大学欧文分校还报道了一种通过修调结构参数调整环形陀螺模态分布顺序的方案。国防科技大学分析了MEMS陀螺品质因数的改善机理，并在此基础上提出了两种刚度—质量解耦的方法：多环结构的壁厚分布优化和集中质量结构设计，并设计了新型的多环陀螺结构。新型的多环谐振子通过悬挂质量的方式，减小了热弹性阻尼，提高了结构的等效刚度，实际测得的品质因数和衰减时间系数分别达到了510000和74.9s。但该途径下环形陀螺的工作模态频率得到降低，使得空间模态更容易被激发出来。

图9 T.W.Kenny团队对多环陀螺辐条长度优化的研究Fig.9 Research on optimization of spoke length of DRG by T.W. Kenny team

南京理工大学的林晨首次建立了多环谐振子的热力耦合模型，该模型是传统动力学模型和热弹性阻尼模型的结合。此项工作完善了对多环谐振子结构的优化设计，为环形陀螺的结构设计及优化工作建立了理论基础。

佐治亚理工学院报道的衬底解耦式盘形陀螺拥有较高的品质因数，同时具有谐振频率高、抗振动性能突出的优势，但是对加工工艺要求较高。同时该大学还开展了以新材料SiC作为谐振器材料的研究，其在常用MEMS材料中表现出最低的Akhiezer阻尼损耗特性，可以获得极高的品质因数。基于该材料制作的SiC BAW陀螺频率裂解为215Hz，值可达170000。但是这种材料的缺点是材料坚硬，刻蚀难度大。

2.2 模态匹配方法

MEMS陀螺加工过程中，由于材料的缺陷以及存在的加工误差，不可避免地会使陀螺的工作模态产生频率裂解，即驱动和检测模态间存在一个频率差，该频差对陀螺的灵敏度和信噪比有较大影响。

为了减小频率裂解，加州大学洛杉矶分校报道了一种对谐振子进行质量修调的晶圆级技术，如图10所示。这种技术通过机械修调的方式，在谐振器特定位置上刻蚀出圆形凹坑，并通过在圆形凹坑上添加焊料进行单个模态频率的修调，从而有效减小了频率裂解。但是这种方式调谐效率很低，难以实现大批量的调谐，且无法应用于封装后的陀螺调谐。

图10 加州大学洛杉矶分校报道的频率裂解的机械修调方案Fig.10 The mechanical tuning scheme of frequency cracking reported by UCLA

斯坦福大学的T.W.Kenny团队通过修调部分结构参数，如多环谐振子辐条的角度和宽度等，将工作模态的频率裂解从10kHz抑制到了100Hz以内。斯坦福大学还报道了一种静电调谐方式，用于抑制温度频率系数带来的频率裂解现象。该方案通过在外围电极上施加直流电压，将模态方向与任意晶体方向对齐，从而改变每个谐振模态下频率和温度的相关性。国防科技大学提出的蜂巢式环形结构和苏州大学提出的蛛网式环形结构（见图11），从结构设计角度出发，用短直梁替代传统环形谐振子的弧状结构，这种梁构型对加工误差的敏感性更低，加工出来的结构经实验验证，频率对称性优于传统的多环谐振陀螺。

图11 环形陀螺的创新结构设计Fig.11 Innovative structure design of ring gyroscope

3 总结与展望

本文回顾了环形科氏力振动陀螺的发展历程，并对环形陀螺的结构方向和工艺特点以及近年来的一些研究热点进行了总结。环形陀螺凭借其良好的性能和对称性的结构设计，具有很大的发展潜力，但目前其性能仍无法达到导航级陀螺的性能水平，未来高性能MEMS环形陀螺仍然是国内外团队的研究重点，其发展方向将围绕以下几方面展开：

1）新工艺、新材料、新机理的研究 。想要进一步提升陀螺样机的性能，需要从谐振器的能量耗散机理出发，对谐振器本身的特性进行研究，因此离不开对结构材料、加工工艺等方面的研究，阻尼特性更好的材料、高值真空封装等方向将是研究热点。

2）控制系统的完善。环形结构的刚度轴和阻尼轴偏转会给陀螺带来长期漂移，且温度、时间带来的频率裂解现象也会对陀螺性能产生较大影响。因此，对陀螺控制系统的完善，环形陀螺的控制系统中需要引入自动匹配技术和模态识别技术。