多环谐振微机械陀螺的研究现状及发展趋势

杜宜璋，常洪龙，苑伟政，谢建兵

（西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室，西安710072）

0 引言

高精度陀螺是惯性导航系统的核心器件,最早的高精度全对称陀螺是1960年研制出的固体波动陀螺,用于卫星的惯性导航系统。其结构是一个三维的石英谐振陀螺,它具有精度高、能耗小、结构简单、准备时间短、工作温度范围大、抗电离辐射能力强、对线性过载不敏感、使用寿命长等特点。但是,由于其加工制造十分复杂,不利于批量化的生产。随着微机电系统（Micro Electro Mechanical System,MEMS）技术的不断发展,微机械陀螺以其体积小、质量小、功耗低、适于批量化生产而受到重视,各发达国家纷纷展开研究和应用。2001年,第一个二维单环MEMS陀螺问世。随后,环形陀螺进入长足发展阶段,结构由单环到多环,由圆环到正多边环,在不断的改进变换。全对称环形陀螺的工艺路线也由最开始的HARPSS工艺发展到外延多晶硅的封装工艺以及键合圆片级封装工艺。

美国等发达国家始终未停止对高性能环形全对称结构MEMS惯性器件的研制步伐,已在实战中经过检验。英国BAE系统公司在20世纪90年代开始谐振环陀螺的研制,产品已批量用于APKWS制导炸弹、NLAW反装甲武器以及155mm雷神制导炮弹和卫星等。波音公司研制的多环谐振微机械陀螺产品用于高速旋转弹、中程导弹和美国155mm制导神箭炮弹等武器系统。2012年,ESA研究的空间用MEMS谐振环陀螺已在Cryosat2卫星完成了在轨验证,并应用于2018年发射的火星车中。发达国家已实现了全对称环形固体波动陀螺的 “中高精度、低成本、高可靠、大批量、中端军用”应用设想。随着微制造技术的不断发展,高精度的硅微半球陀螺和全对称多环形固体波动陀螺以及多传感集成技术正在兴起。

图1 驻波进动原理Fig.1 Principle of standing wave precession

1 环形陀螺理论及发展历程

1.1 对称固体波动理论

圆环式微机械陀螺是一个圆环状的谐振结构,其驱动与检测共用这个圆环式谐振器,圆环谐振器工作在形状振动模态而不是摆动振动模态。圆环式陀螺与谐振和音叉的区别在于前者是由科氏力使其谐振结构的形状发生改变,而后两者是科氏力改变了谐振结构的位置。

图1为环形谐振器陀螺的原理图。在驱动单元的激励下,谐振圆环在一阶振动模态振动,圆依次变为椭圆-圆-旋转90°的椭圆-圆,完成一个周期的振动。当椭圆的长轴为竖直轴时,圆环的受力为竖直方向受拉伸力、水平方向受压力。当椭圆的长轴为水平轴时,圆环的受力为竖直方向受压力、水平方向受拉力。一阶振动模态的振动节点为45°、135°、225°和315°,二阶振动模态与一阶振动模态的频率相同,只是长轴旋转了45°,即振动节点为0°、90°、180°和270°。 在驱动的激励下, 谐振环只在其一阶振动模态振动。当谐振环旋转时,在科氏力的激励下,谐振环在二阶振动模态振动。

如果谐振的幅值和频率分别为X0和ω,振动位移xd（t）和速度ud（t）分别为xd（t）=X0sinωt和ud（t）=X0ωcosωt。 于是, 科氏加速度ac为

科氏力Fc可以从式（1）得到

科氏力与弹性结构变形产生的反作用力平衡,当弹性结构的刚度为k、变形为xc时,根据科氏力公式,可得到Fc=kxc=mac=2mΩX0ωcosωt, 于是

当谐振环工作在谐振模态时,振动幅值被放大Q倍。因此,式（2）变为

由式（3）可以得出,在其他参数都相同时,品质因数Q极大的影响到分辨率。

当然,上述理论是在二阶模态（波腹轴相差45°）下的振型转换,也有在三阶模态（波腹轴相差30°）下的振型转换,两种不同模态都是通过驻波进动方式进行模态转换的[1]。陀螺振型的三阶模态如图2所示。

图2 三阶模态的陀螺振型Fig.2 Third-order modals of gyroscope vibration type

基于固体波动理论建立的陀螺就是速率积分陀螺,不仅能够实现角速率的测量,还可以对转动全角进行测量。速率积分陀螺相对于速率陀螺具有很多优势,如动态范围更大、没有带宽限制、噪声不随时间累积等。

1.2 环形MEMS陀螺结构演变

环形MEMS陀螺是在半球谐振陀螺的基础上演变而来的,石英半球谐振陀螺的演变过程如图3所示。

图3 环形谐振陀螺的来源Fig.3 Origin of the ring resonator gyroscope

单环谐振式微机械陀螺包括：振动环、柔性支撑梁、静电驱动和测量电极[2]。谐振环固定在中心的锚点上,由8个均匀分布的半圆形柔性支撑梁支撑,支撑梁的直径是谐振环的半径。谐振环采用静电驱动和电容检测,谐振环共有16个驱动和测量电极（激励电极和控制电极为8个,测量电极为8个）,分别在间隔45°的节点或者波腹位置。通过测量电极的测量谐振变形引起的极板间的电容变化,来检测角速度的大小。谐振环到驱动电极的间距可以远大于测量电极与谐振环的间距,从而增加驱动幅度来降低噪声。所有器件均为力学性能优异的硅和多晶硅,陀螺灵敏度高、长期稳定性好、温度系数低。谐振环陀螺的品质因子为40000,10Hz带宽时的分辨率为0.0025（°）/s。

日本Silicon Sensing公司所制造的单环陀螺如图4所示,其采用电磁驱动和测量。该陀螺使用永磁体产生磁场,谐振环在电流流过时被激励,科氏力使谐振环运动切割磁场产生感应电动势,通过测量电动势来测量角速度。该陀螺的动态范围为 100（°）/s, 噪声小于 0.03（°）/s/Hz1/2。

图4 电磁驱动单环形谐振陀螺Fig.4 Electromagnetic driven single ring resonant gyroscope

波音公司对于高性能MEMS陀螺的研制路线如图5所示。喷气推进实验室和波音公司在单环谐振陀螺的基础上提出了多环结构的MEMS碟形陀螺方案,即多环谐振盘式陀螺[3]。多环谐振陀螺如图6所示,多环结构在环间嵌入电极,可增加检测和驱动的电容,从而提高了陀螺的检测灵敏度。而多环结构相比于单环结构增加了有效振动质量,使得机械Brown噪声降低,从而使得信噪比增大。在美国DARPA导航级集成微陀螺（NGIMG）项目支持下,谐振盘陀螺的研究取得了突破性进展。基于8mm直径硅材料的谐振盘陀螺实现了零漂稳定性优于 0.01（°）/h,角度随机游走优于0.002（°）/h/Hz1/2。为进一步缩小和HRG的性能差距,基于8mm直径石英玻璃材料或更大直径的谐振盘陀螺正在研制中。预期目标是谐振盘陀螺的Q值提高1～2个数量级,角度随机游走提升1个数量级。

2013年,美国Stanford大学也研制出了一种多环谐振陀螺[4-5],其结构如图7所示。该陀螺同样为中心锚点支撑,采用多圈同心圆环,通过弹性梁连接多环作为谐振结构。其结构最外环直径为600μm,整体厚度为 20μm,品质因数约为100000,闭环刻度因子及角度随机游走分别为0.286mV/[（°）/s]和 0.006（°）/h/Hz1/2。 在没有对温度精确控制的情况下,零漂稳定性为1.15（°）/h。

美国Stanford大学对于多环谐振陀螺的结构没有做太大的改动,而是主要是针对两模态之间的频率裂解做了一些研究。比如,改变多环谐振陀螺的环连接辐条角度和多环谐振陀螺的环宽,看这两个因素对<100>单晶硅制造结构的频率裂解的影响[6]。

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

图6 多环谐振陀螺Fig.6 Multi-ring resonant gyroscope

图7 美国Stanford大学研制的多环谐振陀螺Fig.7 Multi-ring resonant gyroscope developed by Stanford University

2018年,国防科技大学发表论文阐述了减轻热弹性阻尼和提高衰减时间常数的机理[7],并对上述器件实现了加工,器件实物图如图8所示。测试得出,衰减时间常数为38.5s,品质因数高达358000,零漂稳定性为0.08（°）/h,角度随机游走为0.012（°）/h/Hz1/2。国防科技大学研制的多环谐振陀螺的精度已达到较高水平,该陀螺采用了悬挂质量的方式降低谐振频率,以提高品质因数。这在一定程度上可以提高陀螺精度,但模态质量大大增加,抗冲击性能随之下降,在工程应用中的工作可靠性有所降低。

图8 刚度质量耦合陀螺Fig.8 Stiffness mass coupled gyroscope

2018年,国防科技大学还提出了一种新型结构——蜂巢状盘型谐振器[8],如图9所示,并初步测试了蜂窝状盘式谐振器陀螺的性能。蜂窝状盘式谐振器陀螺在室温下没有任何补偿的Allan零漂稳定性约为8.9（°）/h,角度随机游走可以计算为0.3（°）/h/Hz1/2。

图9 蜂巢状结构陀螺Fig.9 Honeycomb structure gyroscope

苏州大学也于2018年提出了一种新型结构——蜘蛛网状盘型谐振器[9],如图10所示。实验结果表明,闭环控制感应模式的陀螺比例因子从7.9mV/[（°）/s]提高到了 19.1mV/[（°）/s], 零漂稳定性从 11.19（°）/h 降低为 0.43（°）/h。

图10 蜘蛛网状结构陀螺Fig.10 Spider-web gyroscope

表1 环形陀螺的结构对比Table 1 Structures comparison of ring gyroscope

由表1可知,不论是圆环、蜂巢状谐振盘、蜘蛛网状谐振盘,它们的结构都是全对称的结构。结构具有对称性的优点是谐振频率匹配好,对振动和加速度具有很好的抑制能力。另外,由于环形谐振器没有集中的大质量,抗冲击和振动能力远高于大质量块结构。圆环式微机械陀螺用于驱动和测量的弯曲振动模式完全相同,因此,灵敏度被放大了Q的倍数,并具有更小的温度系数。静电驱动和电容检测的方法易于实现,并且灵敏度高。在谐振环间嵌入电极施加电压对谐振环振动进行控制,可以采用电路补偿的方法降低谐振环质量和刚度的不均匀性,从而降低锚点的能量损耗,实现了更高的Q值和频率对称性。整体结构除了锚点外均为悬空结构,封装产生的应力对结构影响很小。因为全对称的多环结构有上述优势,所以多环谐振陀螺有成为高性能陀螺的潜力。

2 环形陀螺工艺的综述

2001年,第一个环形陀螺采用的是高深宽比多晶与单晶硅结合（HARPSS）工艺制造的[2], 利用HARPSS工艺制造的单晶硅谐振环陀螺具有较高的分辨率和良好的稳定性。图11为HARPSS工艺流程。

图11 HARPSS工艺流程Fig.11 Process of HARPSS

如图11（a）所示,沉积SiO2以增加介质层的厚度,减小电极和衬底之间的寄生电容,用低压化学气相沉积法（Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD）沉积250nm的Si3N4,刻蚀形成后续释放过程的阻挡层和绝缘层。利用厚光刻胶掩膜,用深反应离子刻蚀法（Deep Reactive Ion Etching,DRIE）刻蚀6μm宽的深槽,深度要超过谐振器结构的高度。如图11（b）所示,LPCVD沉积并刻蚀SiO2牺牲层,开出Si3N4窗口。沉积4μm厚的多晶硅,使深槽内部的SiO2上均匀覆盖多晶硅,并对SiO2牺牲层掺硼使表面的硼进入多晶硅。去除表面的多晶硅并刻蚀下面的SiO2,形成多晶结构的锚点。在表面沉积多晶硅,掺杂并刻蚀,形成表面需要的形状。如图11（c）所示,在多晶硅表面沉积Cr/Au,利用剥离形成电连接。使用DRIE法刻蚀,深度比前面刻蚀结构深10μm～20μm。达到刻蚀深度后,只通入SF6进行各向同性横向刻蚀,去除微结构下面的单晶硅,释放结构。如图11（d）所示,去除光刻胶掩膜和SiO2,释放微结构,形成电极和谐振结构之间的间隙和电容。

最终加工出如图12所示的结果,谐振环的高度为80μm,直径2mm,锚点支撑柱直径400μm,支撑梁和谐振环的宽度均为4μm。

2013年,美国Stanford大学提出了一种外延多晶硅的制造和封装方式,来实现圆片级封装技术[4], 具体如图 13 所示。

图12 单环谐振陀螺Fig.12 Single ring resonant gyroscope

图13 外延多晶硅制造及封装方法Fig.13 Manufacturing and packaging method of epitaxial Polysilicon

美国Stanford大学利用上述方法完成了多环谐振陀螺的制造,并且进行了圆片级封装,大大降低了陀螺成本。因为没有后续封装带来的应力影响,从而保证了陀螺性能的一致性。同时,该方法也提高了陀螺的精度和良品率。

相比于国外成熟的加工工艺,我国的加工工艺大多还停留在芯片级加工封装地步[7]。西北工业大学基于绝缘体上硅（Silicon on Insulator,SOI）工艺也设计加工了一款多环谐振微机械陀螺,SOI的工艺路线如图14所示,该方法工艺简单便于实施：1）使用BOE漂洗,目的是去除硅片表面的原生氧化层,保证不会对之后的刻蚀产生不利影响；2）加工金属电极PAD,保证后续芯片级封装打线；3）为将器件层刻蚀为多环结构,使用DRIE法进行刻蚀；4）对器件可动结构的释放,使器件由不可动变为可动。

图14 SOI工艺示意图Fig.14 Process diagram of SOI

2018年,国防科技大学基于硅-硅键合工艺实现了刚度质量耦合的多环谐振微机械陀螺的加工[10],其工艺路线如图15所示。

图15 硅-硅键合工艺Fig.15 Process of Silicon-Silicon bonding

表2 不同工艺对比Table 2 Comparison of different processes

利用HARPSS工艺可以实现高深宽比的多晶硅结构,但从表2中可以明显看到单晶硅结构的品质因数较高,这是因为单晶硅具有更低的缺陷和更好的力学性能。而在谐振器件中,大质量有助于提高分辨率,而制造宽结构（大于20μm）只有利用衬底单晶硅才能实现。硅-硅键合技术就采用了单晶硅制造工艺,台阶键合的方法有效的克服了DRIE法可能面临的foot效应。

通过对比可以看到,国外的多环谐振陀螺的工艺已经发展成熟,并且实现了圆片级封装及工程化应用。而国内的MEMS工艺还停留在表头研制阶段,虽然取得一些成果,但是距离工程化应用还是有一定的距离。

3 多环谐振陀螺的未来发展方向

多环谐振微机械陀螺将不断突破,引入许多新的关键技术,从而在现有的技术基础上进一步提高精度,在未来的高端应用领域得到越来越广泛的应用。未来高端MEMS陀螺关键技术主要面向以下几个方面。

3.1 静电平衡调整技术

MEMS工艺误差总是不可避免的,高精度MEMS陀螺对工艺误差非常敏感。工艺误差会带来器件刚度和阻尼的不对称,导致驱动模态和敏感模态存在频差。对于驻波进动的多环谐振陀螺而言,由于其两个模态之间存在频差,陀螺的灵敏度降低,精度大打折扣。工艺误差存在随机性,因此高精度MEMS陀螺的良品率很低。对工艺误差进行校正、调整是目前保障高精度陀螺成品率的重要技术途径,静电平衡调整技术是高效率、低成本的调整手段。静电平衡原理主要是利用静电力产生的负刚度效应来调整刚度对称性,使驱动模态和敏感模态频率趋于一致。

3.2 高Q值的真空封装技术

高品质因子的陀螺能够得到更好的性能和更高的精度。陀螺在真空条件下工作,其空气阻尼几乎为零。但是,目前所面临的现状是芯片级封装成本太高,不利于批量化生产。圆片级封装虽然可行,但目前还不能提供给陀螺长期稳定的工作环境,因为圆片级封装的真空强度会随着时间增加而减小。

3.3 MEMS环形陀螺与CMOS集成技术

片上系统的概念是基于单芯片结构提出的,包括传感器芯片和处理电路在内,集所有的模块在一个芯片上。模块集成的最大困难是不同的功能模块需要采用不同的制造工艺,这些工艺无法兼容和互相取代,许多功能模块甚至连衬底材料都不相同。未来,利用三维集成技术实现陀螺和其他MEMS器件及CMOS的立体集成将是一项全新的工艺技术。

3.4 速率积分控制技术

速率积分陀螺也称全角模式陀螺,速率积分陀螺相对于速率陀螺具有很多优势：动态范围更大、没有带宽限制、噪声误差不随时间累积等。因此,速率积分陀螺是未来高精度陀螺的重要发展方向之一,速率积分控制技术则是实现速率积分陀螺的关键技术。

4 结论

多环谐振微机械陀螺是在半球谐振陀螺的基础上发展而来的,相比于半球谐振陀螺更便于加工和批量化生产。因为其具有全对称特性,因此具有良好的环境适应性。美国和欧洲多家军工企业制造的MEMS陀螺均采用全对称特性的MEMS平面陀螺设计与加工技术。国外的工艺路线已经成熟,达到圆片级封装的工艺水平,而国内的工艺仍停留在芯片级表头研制阶段。随着一些关键技术的突破,具有全对称性的MEMS陀螺将是未来高端MEMS陀螺的研制方向。