微机电陀螺仪技术研究进展

第９卷第３期２０１０年８月

导航与控制

ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮＡＮＤＣＯＮＴＲＯｋ

Ｖ０１．９Ｎｏ．３

Ａｕｇ．２０１０

文章编号：１６７４－５５５８（２０１０）０２－００６１３

微机电陀螺仪技术研究进展

王寿荣李宏生黄丽斌杨波夏敦柱

（东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室，南京２１００９６）

摘要：本文分析了振动微陀螺、转子微陀螺和介质类微陀螺的发展现状和各自的技术特最，提出了改善性能的几点看法。

中图分类号：Ｕ６６６．１２＋３文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－５５５８．２０１０．０３．００８ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭＥＭＳＧｙｒｏｓｃｏｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈ

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Ｏ引言

微机电陀螺仪是利用微机电系统（ＭＥＭＳ）加工技术和测控技术研制的一类新型的惯性仪表，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、动态性能好等特点，可广泛应用于制导弹药、中近程战术导弹、轻小型动能武器、鱼雷水雷以及微小卫星、无人作战平台、火控稳定系统等武器装备系统中。微机电陀螺仪起步于２０世纪８０年代后期，经过２０多年的努力，微机电陀螺仪技术取得了长足的进步与发展。已开发研制出数十种微机电陀螺。根据工作方式的不同，微机电陀螺可分为振动式、转子式和介质类。振动陀螺通过驱动检测质量作高频振动产生动量矩，敏感基座角运动。目前常见的包括硅振动陀螺和石英陀螺。转子式微陀螺通过驱动检测质量作高速旋转产生动量矩，敏感基座角运动。转子微陀螺按支承方式可分为悬浮式和调谐式。悬浮式微陀螺，其转子体悬浮在空间，通过静电场（静电悬浮式）或磁场（磁悬浮式）控制其运动，产生动量矩并敏感角运动。调谐式微陀螺是基于动力调谐的原理，由高速旋转的电机通过挠性支承带动薄片转子高速旋转，产生动量矩，并敏感角运动。介质类微陀螺则通过特殊介质传递哥氏效应产生的能量，目前包括微流体陀螺（通过气流传递）和声表面波陀螺（通过声表面波传递）。

１振动式微陀螺

振动式微陀螺是当前微机电陀螺的主流：按驱动方式分：有电容驱动、电磁驱动和压电驱动；按检测方式分：有电容检测、电流检测、频率检测、电阻检测和压电检测等形式。国内对振动式硅微陀螺的研究始于上世纪９０年代初，经过十多年的努力，已在硅陀螺的设计、加工、封装与测控技术等方面取得了重要突破，硅微陀螺仪已开始从实验室

收稿日期：２０１０－０３修订日期：２０１０－０５

作者简介：王寿荣，男。教授，从事微惯性仪表技术研究工作。

通信地址：南京市四牌楼２号东南大学仪器科学与工程学院（２１００９６）万方数据

第３期王寿荣等：微机电陀螺仪技术研究进展?３９?

研制走向了工程实用。硅陀螺大多是平面结构、一

次成型，因此具有结构简单、制作容易等优点。但

是，硅材料相对于石英材料，其温度特性较差，目

前的ＳＯＧ工艺还无法进行硅陀螺结构与电路的一

体化制作。此外，振动式陀螺的检测质量需要通过

支撑梁与基座相连，由此会带来各种噪声及振动的

非线性；同时，为了保证一定的灵敏度和测量带

宽，需要使陀螺的驱动模态与检测模态适当匹配；

另外，由于目前硅微机械加工工艺的局限性，存在

检测质量薄、一次成型、应力难消除等缺陷，制约

了硅微机械陀螺仪性能的提高。

我们认为，提高振动陀螺尤其是硅微振动陀螺

的性能可以从以下几方面着手：

１）改进结构和工艺

硅加工工艺最大的缺点是只有二维加工能力，仅靠平面结构难以达到高性能。设计多层结构和混合结构是必然的发展趋势。例如，美国ＪＰＬ的四叶片陀螺，采用纯硅结构，其零偏稳定性为１。／ｈ一１０。／ｈ，后来将微加工的硅片和常规加工的金属棒通过精密组装技术组装在一起，有效提高了陀螺动量矩，实现了一个混合结构的微机械陀螺，该陀螺的零偏稳定性达到了０．１ｏ／ｈ一０．０１。／ｈ。测量精度提高了两个数量级（图１）。Ｌｉｔｔｏｎ公司采用四层硅片，同时在每层硅片上进行一定的准三维加工，最终再组装到一起。利用微加工工艺和微组装工艺实现一个多层硅片构成的微机械陀螺，预计可实现的精度为０．０１。／ｈ（图２），

（ｂ）ＪＰＬ混合结构陀螺

图ｌＪＰＬ的微机电陀螺

图２Ｌｉｔｔｏｎ公司的多层结构陀螺

ＳＯＧ（硅玻深刻蚀工艺）工艺是在玻璃基座上的体硅加工技术，具有工艺简单，加工应力小，加工厚度大等特点，也是目前国内普遍采用的加工工艺。其缺点是很难实现陀螺结构与电路的一体化制作。ＳＯｌ（绝缘层上硅工艺）工艺是在硅基座上的体硅加工技术，采用ＳＯＩ工艺，将有利于实现陀螺结构与电路的一体化制作，从而能降低噪声，提高测量精度。

２）温度稳定性控制

高性能的振动微陀螺要求有好的温度稳定性：包括零偏与标度因数的温度稳定性，对振动陀螺而言，其振动模态频率的温度稳定性及品质因数的温度稳定性也是很重要的技术指标。多年来，为实现振动式微陀螺的温度稳定性控制，国内外不少学者做了大量研究。研究工作主要集中于以下几方面：一是从硅微陀螺的结构、材料、工艺及电子元器件的匹配上提高敏感器件的温度稳定性，以提高陀螺精度；二是对陀螺仪输出进行误差特性分析、测试、建模与补偿；三是采取控制温度的方式使陀螺仪工作的环境温度维持恒定，保障陀螺仪硅结构体及驱动检测电路不受温度变化的影响，从而使陀螺仪零偏维持稳定，提高陀螺仪的稳定度。近年来，国内许多科研人员对陀螺温度模型的辨识以及软件的实时补偿做了许多工作。但由于目前国内硅微陀螺的重复性较差，因此补偿效果并不理想。２００９年，美国学者Ｓ．Ｈ．Ｌｅｅ和Ｎａｊ觚等人提出了低功耗的芯片级温控的方法，通过加热、控温和隔热等措

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．４０?导航与控制２０１０年第３期

施，使陀螺工作在某一特定的温度下。结果使陀螺驱动频率在１００。Ｃ温度变化范围内的变化率从１７．３ｐｐｍ／。Ｃ减小到＜１ｐｐｍ／ｏＣ。陀螺加热所消耗的功率在一３０。Ｃ到８００Ｃ的情况下仅为３３ｍＷ：陀螺再通过抽真空封装，其角度随机游走为０．０１２。／√ｈｒ，偏置稳定性为０．５５。／ｈｒ。

３）虚拟陀螺仪技术

硅微陀螺仪性能的好坏主要取决于其设计质量、加工质量、测控电路的质量和封装质量。但也与测试处理方法有关。采用恰当的方法对硅微陀螺仪信号进行处理，往往起到事半功倍的效果。硅微陀螺的一个很大优点是适宜于大批量生产。同时，它的一个显著特点是硅微陀螺可以采用灵活的集成化制造技术，将多个硅微陀螺集成在同一个芯片上，构成硅微陀螺阵列，通过阵列中各硅微陀螺的测量，对同一外界信号进行冗余检测，运用适当的同质传感器的数据融合方法，将硅微陀螺仪阵列的输出信号和被测角速度综合成一个虚拟陀螺仪，通过对噪声的模型化，建立相应的滤波方程，将使陀螺仪的漂移得到较大幅度的降低，也是硅微陀螺仪测试信号处理的一个重要发展方向。这样做，无论对微陀螺本身，还是对惯性测量系统，其体积或成本都不会增加许多，因而是一种非常可行的方法。

自２００３年美国ＪＰＬ的ＤａｖｉｄＳ．Ｂ．等人提出虚拟陀螺仪概念以来，国内外不少学者进行了研究，研究结果表明，采用虚拟陀螺仪技术，陀螺静态测量精度能提高２个数量级，其动态测量精度能提高２—４倍。

２转子式微陀螺

转子式微陀螺是传统的转子陀螺与微机电系统技术相结合的产物。微机电系统技术与静电陀螺技术结合产生了静电悬浮微陀螺，与动力调谐陀螺技术相结合则产生了调谐式微陀螺。一般来说，转子式微陀螺能实现较高的精度（导航级），且都是二自由度陀螺。其中，悬浮式微陀螺还可以测量沿空间三个方向的加速度。悬浮转子式陀螺分为磁悬浮和静电悬浮两种。磁悬浮转子微陀螺利用平面线圈内施加高频电流产生的电磁场对薄盘铝转子中的感应涡流进行作用，产生电磁斥力将铝转子悬浮并高速旋转，这种陀螺由于利用涡流效应而产生发热问题，并且薄铝转子侧向支撑刚度低而限制了其转速的提高：静电悬浮转子微陀螺通过在电极上施加直流电压产生静电力支撑悬浮扁平转子，并利用静电微马达的工作原理来驱动旋转悬浮转子：该陀螺结构较为复杂：需要通过静电悬浮回路提供足够的支撑刚度将转子体稳定地悬浮在电极腔的几何中心，并能使转子体平稳地沿空间六个自由度运动：由于静电支撑力的限制，通常悬浮间隙在２—５微米，这就对微加工工艺提出了较高的要求：此外，对测控电路也提出了较高的要求，需要解决稳定悬浮、恒速控制和闭环检测等一系列问题：当陀螺敏感基座沿ｘ或Ｙ轴向的角速度时，悬浮转子会产生沿ｙ或ｘ轴向的旋转运动，而这时静电支撑负刚度会加剧转子体沿Ｙ或ｘ轴的旋转运动，这时需要通过静电力平衡回路补偿，因此，如何实现稳定工作也是静电悬浮微陀螺迫切需要解决的一个重要问题：调谐转子式微陀螺是依据动调陀螺动力调谐的原理实现自由转子：它采用动力调谐陀螺仪电机驱动的方式，但将动力调谐陀螺仪转子和挠性接头改为片状结构，并且该片状结构可以用硅微机械加工方法加工；此外．信号器、力矩器采用了硅微机械陀螺仪常采用的微电容检测和静电力反馈的形式。其结构示意如图３所示。

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图３调谐式微陀螺结构示意图

该陀螺转子体通常做成三环结构（图４），其中，平衡环和驱动环之间及平衡环和陀螺转子之间均采用挠性杆连接，这种挠性结构绕其自身的轴线具有很低的扭转刚度，而绕与其垂直的方向具有很高的抗弯刚度。两组挠性杆相互正交，并相交于一点，它们不仅起着支撑陀螺转子的作用，还提供了陀螺转子所需要的转动自由度：该转子体可以单独加工，通过精密组装技术与陀螺构成整体：调谐式微陀螺采用电容检测和静电力矩反馈形式，在其调谐中，除了平衡环的负弹性力矩作用外，还要考虑

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第３期千寿荣等：微机电陀螺仪技术研究进展?４１?

图４转子体三环结构

静电力矩的影响。静电力矩中的电刚度会补偿挠性扭杆的正弹性力矩。因此，需要综合调整平衡环的负弹性力矩和电刚度来补偿内、外扭杆的正弹性力矩。

比较悬浮转子式微陀螺和调谐转子式微陀螺，悬浮陀螺结构更加紧凑，但对加工工艺和测控系统要求更高。调谐式微陀螺转子体、信号器、力矩器及驱动电机都采用了分离式结构，其加工和测试都相对较容易，但组装调试的质量将对陀螺的性能有较大的影响。

３介质类微陀螺

无论是振动微陀螺，还是转子微陀螺，都是通过检测质量敏感基座角运动产生哥氏效应而工作的，无法摆脱悬振结构或旋转结构的影响。ＭＥＭＳ声表面波陀螺是在一个压电材料基片上，沿某个方向制作一个声表面波震荡器ＳＡＷＲ，设法在震荡器中间区域形成驻波，基片表面处于驻波区域的质点将敏感基座的角运动产生哥氏力，并激发出沿该方向的声表面波，通过检测该声表面波则实现了角速率的测量。在该结构中，由于没有机械悬浮结构，因而具有制作简单，抗高冲击等特点。微流体陀螺是在哥氏力作用下使气流场发生偏转，产生温度差，利用热敏电阻来检测，实现角参数的测量。它是将ＭＥＭＳ技术与传统的压电射流角速率陀螺有机结合起来的新产品。根据气流场在哥氏力作用下偏转的原理，借鉴了热对流加速度计的性能特点，研制而成的新型微惯性器件。

声表面波陀螺和微流体陀螺具有如下特点：

（１）承受高过载。由于没有活动部件，其承受过载的能力比一般微机械陀螺高；

（２）响应速度快；

（３）寿命长，由于它是一种固态陀螺，其寿命来自半导体器件；

（４）成本低，该类陀螺仪制作工艺相对简单，因此成本比一般陀螺低。介质类陀螺特别适用于高过载、高动态的场合。

４结论

微机电陀螺作为一类新型陀螺是当前研究和应用最为活跃的方向之一。其中，振动式微陀螺具有结构简单、制作容易等优点，是当前微机电陀螺发展的主流。转子式微陀螺作为一种具有潜在高精度的二自由度陀螺，亦具有广阔的应用前景。介质类微陀螺由于没有活动部件，特别适用于高过载、高动态的场合。随着研究的深入和应用需求的扩展，对微机电陀螺提出了低成本、高精度和高过载、高动态等要求。需要在结构、工艺、组装及温控和信号处理等方面不断创新和改进。

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