硅微型陀螺仪

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硅微陀螺仪零偏温度性能补控方法设计

ｃｒｉｇｔｅｒａｏｄｎｏｔｅｌＺＲＯａｕｅｅｔｈｏｙｏｎｌｅｉｉｇｍｅｈｄｉｒｓｎｔｄａｄｔｅｅｈｍｅｓｒｍｎｓ，ｔｅｐｌｎｍｉａｒｆｔｎｔｏｓｐｅｅｅｎｔｔｍｔｎｈｈｈｂｄｍｅｏｏｉｅｔｃｎｓａｅｙｒｔｄｃｍｂｎｄｗｉｉｈｈｏｔｎｔｔｍｐｅａｕｅｃｎｏｉｎｅｓｖｌｎｅｔｇｔｄｔｅｔｒｔｅｒｔｒｏｔｌｓｉｔｎｉｅｙｉｖｓｉａｅｏｂｔｒｅｈ
ＳｕｅｓＵｉｅｓｙ，ｎｉｇ２０９ＣｉａｏｔａｔｎｖｒｔＮａｊ１０６，ｈｎ）ｈｉｎＡｂｔａｔｓｒｃ：Ｆｉｓ，ｔｅａｉｎｔｅｅｐｒｔｒｎｄｔｅｒｓｎａｔｆｅｕｎｃｒｔｈｅｒｌｔｏｓｂｅｗｅｎｔｍｅａｕｅａｅｏｎｑｅｙ，ｑｌｉａｔｒ，ｓｎｓｈｒｕａｔｆｃｏｙｅ — ｉｉｎｌｏｔｕ，ａｄｍｅｈｎｃｌｔｅｍａｏｓｆｓｌｃｉｒ－ｙｏａｅｔｅｒｔｃｌｙｄｅｕｅｏｎｇｓｇａｕｐｔｎｃａｉａｒｌｎｉｅｏｉｏｎｍｃｏｇｒｒｈｉｈｏｅｉａｌｄｃｄｔ
差，但未从理论上系统地推导出温度对陀螺仪标度
收稿日期：０００－９作者简介：夏敦柱（９８），，士，教授，ｉｄ一９９１３ｃｒ．２１－９０．１７一男博副ｘａｚ１９＠６．ｏｎ

硅微振动陀螺仪设计与性能测试

硅微振动陀螺仪设计与性能测试贾方秀;裘安萍;施芹;苏岩【摘要】介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测.利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构.为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空封装技术实现了器件级真空封装,并消除了轴向加速度等共模干扰的影响.陀螺电路采用自激闭环驱动、开环检测的方式,简化了电路.为了降低环境温度对陀螺零偏的影响,研究了既定范围内陀螺的输出特性,建立了陀螺输出与温度之间的关系模型,设计了温度补偿电路,降低了陀螺整表的功耗和体积.对采用上述技术的硅微陀螺仪进行了性能测试,测试结果表明,陀螺Q值＞100 000,量程为±500(°)/s,标度为21.453 mV·(°)-1s-1,非线性和对称性分别为36.905×10-6和184.125×10-6.常温下陀螺零偏稳定性为7.714 3(°)/h,带宽为100 Hz,整表体积为31mm×31mm×12mm,功耗为288 mW.该陀螺仪性能好、体积小、功耗低,在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)005【总页数】10页(P1272-1281)【关键词】硅微振动陀螺仪;真空封装;自激驱动;温度补偿【作者】贾方秀;裘安萍;施芹;苏岩【作者单位】南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094;南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094;南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094;南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】V241.5;V666.1231 引言硅微机械陀螺是一种（Micro-Electro-Mechanical Systems）MEMS传感器，具有微型化、智能化、多功能集成化和适于批量生产等优点。

Z轴硅微机械陀螺仪温度特性研究

第３１卷　第６期２００８年１２月电子器件Chines e Journal Of Ele ctr on Devi ce sVol ．３１　No ．６Dec ．２００８Re s e arc h o n Th e r m al C h ara c t e ri s ti c of Z －In p u t S ili c o n Mic ro m a c h in e d G yro s c o p e＊C H E N S hu －lin g ，Y A N G Bo ，W A NG S hou －rong＊（S chool o f Instr umentat ion S ci ence and E ngineer in g ，Southeast Univ ersi t y ，N an j ing ２１００９６，China ）Ab s tra ct ：Silicon micromachined gyroscope is a kind of angular －rate －sensor developed in recent years ，which has smaller size ，lighter weight and lower cost than t raditional rate －sensors ．Temperature variation is one of the main errors for SMG ．The thermal characteristic of SMG was analyzed ，two gyroscopes of different Q －value were chosen and tested while the temperature ranged from －４０℃to ８０℃．The influence on the features of SMG owning to temperature change is construed ．The experiment result shows that the resonant frequency of the gyroscope de －creases linearly along with the temperature increment ；the vacuum degree of the hermetic gyroscope imposes dis －tinct influence on the mechanical factor of the gyroscope when temperature varies ．Ke y w ord s ：silicon micromachined gyroscope （SM G ）；thermal characteristic EEACC ：７６３０Z 轴硅微机械陀螺仪温度特性研究＊陈淑铃，杨　波，王寿荣＊（东南大学仪器科学与工程学院，南京２１００９６）收稿日期：２００８－０３－３１基金项目：总装备部“十一五”预研课题资助项目（６９２２００２０５５）作者简介：陈淑铃（１９８５－），硕士研究生，从事硅微机械陀螺仪温度控制，chenshuling ３１８＠１２６．com ；杨　波，博士，主要从事硅微陀螺仪测控线路；王寿荣，教授，博士生导师，srwang ＠seu ．edu ．cn ．摘　要：硅陀螺仪是近年来发展起来的一种新型角速度传感器，温度变化是其主要误差源之一。

内框驱动式硅微型角振动陀螺仪灵敏度研究

The S en sitivity Study of an Angular VibratoryMicrome chanical Gyro s cope Driven by the Inner FrameF A NY u e-m i n g1,2,M A O Pan-s o n g21.D e pa rt m e nt o f In fo r matio n e n g in e er in g,N an jin g U n i v er s it y of Po st s an d T e le c o m m u n ic atio n,N an jin g210003,C h ina2.D e pa rt m e nt o f E le ctr o n ic e n gi n e e r in g,S o u th e ast U ni v e r sit y,N an ji n g210096,C h in a()Ab stra ct: T hi s pa pe r de v el o p s d y na m ic a n d s en sit i ve eq u ati o n s o f a n g ula r v i br at or y m ic r o m e ch an ic al g yr o s c o p e w ith d u-al-g i m b al dri v en b y t he i n ne r g i m bal f r a m e,a n d pr ese nt s t w o s i m p le an d f ea si ble m et h o d s t o e n ha nc e t he g yr o sc o pe’s sen s iti v it y.T he f re q ue nc y o f t he i n ne r g i m bal f ra m e an d th e nat ur al f r eq u en c y o f th e o ute r g i m bal f ra m e a re e q ual.T h e dri v en si g n al co n si sts o f t w o s in e-w a v es an d th eir fr e q ue ncies a r e s ele cted t o eq u al t o th e nat ur al f re q ue nc y o f in n e r an d o ute r f r a m e.in de si g ni n g g yr o s co pe s y ste m.Ke y w ord s: 7630m icr o m e ch an ic al g y ro sc o p e;d o u b le g i m b als;se n siti v it yEEACC:内框驱动式硅微型角振动陀螺仪灵敏度研究①方玉明1、2,茅盘松21.南京邮电学院信息工程系,南京210003;2.东南大学电子工程系,南京210096.()摘要:建立了内框驱动式硅微型角振动陀螺仪的运动方程,导出了灵敏度方程,提出了提高陀螺系统灵敏度的简单可行的方法,即:设计制造陀螺仪时,使内外框架固有频率相等,或驱动信号采用二个正弦波之和,二个正弦波的频率应选为框架的固有频率。

硅微振动陀螺仪设计与性能测试

中图分类号：Ｖ２４１．５：Ｖ６６６．１２３
Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄｖｉｂｒａｔｏｒｙｇｙｒｏｓｃｏｐｅ
硅微振动陀螺仪设计与性能测试
贾方秀，裘安萍，施芹，苏岩
（南京理工大学ＭＥＭＳ惯性技术研究中心，江苏南京２１００９４）
摘要：介绍了基于ＤＤＳＯＧ（ＤｅｅｐＤｒｙＳｉｌｉｃｏｎＯｎＧｌａｓｓ）工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构，封装，及信号与性
小、功耗低，在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景。关键词：硅微振动陀螺仪；真空封装；自激驱动；温度补偿文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１３２１０５．１２７２
ｐａｃｋａｇｉｎｇ，ｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅｄｕａｌ－ｍａｓｓＭＥＭＳｖｉ — ｂｒａｔｏｒｙｇｙｒｏｓｃｏｐｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ — ｄｅｃｏｕｐｌｅｄｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｈｅＤｅｅｐＤｒｙＳｉｌｉｃｏｎＯｎＧｌａｓｓ（ＤＤＳＯＧ）．Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｇｙｒｏｓｃｏｐｅｗａｓｐａｃｋａｇｅｄｂｙｖａｃｕｕｍｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｃｏｍｍｏｎｍｏｄｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｃａｕｓｅｄｂｙａｘｉａｌａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｗａｓａｌｓｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ．Ａｓｅｌｆ－ｒｅｓｏｎａｎｃｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈＡｕｔｏｍａｔｉｃＧａｉｎＣｏｎｔｒｏｌ（ＡＧＣ）ｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄ

硅微陀螺仪零偏稳定性的优化_赵阳

赵阳，裘安萍，施芹，夏国明＊，赵健
（南京理工大学ＭＥＭＳ惯性技术研究中心，江苏南京２１００９４）
摘要：为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性，使其满足更高精度应用场合的需求，研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Ｚ轴硅微陀螺仪为例，对影响其零偏稳定性的主要因素：机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析，并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则，优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试，以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明，４个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移，且零偏稳定性在６（°）／ｈ左右，达到了中等战术级水平。关键词：硅微陀螺仪；零偏稳定性；机械耦合误差；前置接口放大器中图分类号：ＴＨ８２４文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１４２２０９．２３８１
图２硅微陀螺仪接口电路示意图Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔｓｆｏｒｓｉｌｉｃｏｎｍｉｃｒｏｇｙｒｏｓｃｏｐｅ
３硅微陀螺仪零偏稳定性分析
３．１零偏稳定性定义及模型零偏稳定性是指硅微陀螺仪在零输入角速度
情况下输出信号的稳定程度，是衡量硅微分全部考虑

微机械MEMS陀螺仪原理和几大公司的基本工艺流程

微机械MEMS陀螺仪原理和几大公司的基本工艺流程微机械MEMS陀螺仪是一种利用微纳技术制造的陀螺仪。

其基本原理是利用陀螺效应来检测和测量振动、旋转以及角速度等物理量。

微机械MEMS陀螺仪的工艺流程一般包括硅的制备、微影技术、湿法腐蚀、金属薄膜的制备以及封装等。

微机械MEMS陀螺仪的原理和工作方式基于陀螺效应，其核心部分通常是一个微小的旋转结构。

当这个旋转结构受到外部力矩的作用时，将产生一个旋转角速度。

通过检测和测量这个旋转角速度，就可以得知外部施加力矩的大小和方向。

1.硅的制备：首先，通过高纯度多晶硅或单晶硅材料，使用工艺将硅片制备成所需形状和尺寸的基片。

2.微影技术：利用光刻和蚀刻技术，在硅片上生长一层光阻，然后使用掩膜模板的光刻技术，将光刻胶上的图形进行曝光。

3.湿法腐蚀：在曝光后，使用湿法腐蚀技术，通过将硅片置于腐蚀液中，蚀刻出所需形状和尺寸的结构。

4.金属薄膜的制备：通过物理蒸镀或化学气相沉积技术，制备出金属薄膜，这些薄膜将用于连接和测量。

5.封装：将微机械MEMS陀螺仪芯片封装在一个保护壳中，以保护其免受外部环境的影响。

几大公司在微机械MEMS陀螺仪的工艺流程上可能会有一些差异，但总体上都遵循以上的基本工艺流程。

以下是几大公司在微机械MEMS陀螺仪制造方面的一些特点和工艺流程：1.爱普生公司：爱普生公司是微机械MEMS陀螺仪的领先制造商之一、其工艺流程中使用了多晶硅的刻蚀技术，可以实现高度的几何精度和结构控制。

2. 微想公司：微想公司的工艺流程中使用了表面微机电系统（Surface Micro-machining）技术，可以制备出非常小的结构，具有高精度和高稳定性。

3.STM公司：STM公司通过使用特殊的材料和非常精密的加工工艺，使得其微机械MEMS陀螺仪具有极高的精度和快速响应性能。

总结起来，微机械MEMS陀螺仪的原理是利用陀螺效应来测量角速度和旋转的物理量，其工艺流程包括硅的制备、微影技术、湿法腐蚀、金属薄膜的制备和封装等步骤。

MEMS陀螺仪发展综述及技术研究PPT

目前mems陀螺仪的性能已经取得了一定的进展，但仍然存在一些局限性。未来的研究将探索新的设计和技术，以提高陀螺仪的精度、灵敏度和稳定性等性能指标，满足更高
精度的应用需求。
应用拓展
要点一
总结词
应用拓展是mems陀螺仪发展的必然趋势，未来的研究将更加注重开拓新的应用领域和市场。
要点二
详细描述
随着mems陀螺仪技术的不断成熟，其应用领域也在不断拓展。未来的研究将探索新的应用领域，如航空航天、无人驾驶、智能机器人等，以满足更多领域对高精度导航和姿态测量的需求。同时，研究还将关注市场需求和产业发展的趋势，推动mems陀螺仪技术的商业化进程。
测试技术
测试技术是确保MEMS陀螺仪性能和质量的关键环节，主要包括静态测试和动态测试两个方面。
静态测试：检测陀螺仪在静止状态下的性能指标，如零点输出、线性度、重复性等。动态测试：检测陀螺仪在动态状态下的性能指标，如带宽、灵敏度、抗干扰能力等。测试技术的进步有助于提高MEMS陀螺仪的性能
mems陀螺仪的原理
Mems陀螺仪的原理基于角动量守恒定律，即一个旋转物体在不受外力矩作用时，其角动量保持不变。当mems陀螺仪的敏感结构受到旋转角速度的作用时，会产生一个与旋转角速度成正比的力矩，从而引起微机械结构的振动或位移，通过检测这个振动或位移量，可以推算出旋转角速度的大小。
Mems陀螺仪的敏感结构通常采用微机械加工技术制造，具有极高的灵敏度和精度。
和可靠性。
集成技术
集成技术是将多个MEMS器件集成在一个芯片上，实现更复杂的功能和更高的性能。集成技术是MEMS陀螺仪发展的趋势之一。
单片集成：将多个MEMS器件制作在同一硅片上，实现单片集成。多片集成：将多个硅片集成在一起，形成一个复杂的系统。混合集成：将不同类型的器件集成在一起，实现优势互补。集成技术的进步有助于提高MEMS陀螺仪的可靠性和降低成本。

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硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪
硅微型振动陀螺仪在工作时，用微幅振动代替高速旋转
硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的工作原理：
结构图如图所示：
机械部分由基座，提供驱动力的定齿，动齿，活动质量和连接活动质量的弹簧，固定弹簧的固定端组成。

固定端和定齿都固定在基座上，活动质量由弹簧连接在固定端上。

动齿固定在活动质量上。

该陀螺仪采用静电驱动技术，给固定在基座上的定齿梳状电极上加载带直流偏执的交流电压，活动质量上的动齿接地。

这样动、静齿间便产生大小和方向周期性变化的静电吸引力，使整个活动质量和动齿一起在两定齿之间来回振动，此时若基座在惯性空间中作转动，由于哥氏力的作用，活动质量将在垂直于基座的方向上振动，这样就可敏感基座相对于惯性空间转动的角速度。

建坐标系：取将动作标系固连在硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的基座上，取动作标系的原点为活动质量质心的平衡位置，x轴为静电驱动力的方向，z轴为与基座垂直的方向，y轴由右手规则确定。

（1）只做x轴方向的转动时的结论：
1.该方向上的角速度不能测量；
2.随着静电引力的振动频率的增大，活动质量的振动的振幅会大大减小，该陀螺仪的灵敏度会降低。

3.x轴方向的角速度不能大于根号内K/m，否则陀螺仪将被损坏。

陀螺仪损坏的临界值随尺寸的降低而迅速增加。

（2）只做z轴方向的转动时的结论：不能测量该方向上的角速度。

（3）陀螺仪的基座在y轴方向的转动角速度近似地与活动质量在z轴方向的这一振动频率为ω的振动的振幅成正比。

比例系数为2δ/(mω3)
小结：该陀螺仪对y轴方向的角速度最敏感，即应当它作为输入量，把y轴作为输入轴。

而对其影响最强烈的是活动质量在z轴方向频率为ω的振动的振幅，它可以作为输出量。

而静
电引力的振动频率充分大时，该输出量与输入量接近于正比关系。

总结：1.单轴角速度计；2.y轴方向上的角速度旋转与z轴的某固定频率振动下的振幅成正比。

振动轮式微机械陀螺仪
振动轮式微机械陀螺仪的结构示意图如图
外框架由挠性轴与驱动轮连接,它相对于驱动轮只能作沿挠性轴方向(即y w方向)的转动,其转动角用φ来表示,，如图：
驱动轮由支柱与基座连接,它相对于基座只能作支柱方向(即Z b方向)的转动其转动角用θ来表示,如图
振动轮式微机械陀螺仪采用静电驱动技术,给固定在基座上的固定梳状电极上加载带直流偏置的交流电压,驱动轮上的动齿接地。

这样动、静齿间便产生大小周期性变化的静电吸力,使整个驱动轮绕其中心轴(即支柱)来回振动,并带动外框架一起振动,此时若基座相对惯性空间有一定角速度的转动,它将通过支柱和挠性轴给驱动轮和框架施加力矩,这样由于哥氏力矩的作用框架将相对于驱动轮作挠性轴方向的角振动。

通过测量这一角振动的幅度就可敏感基座相对惯性空间转动的角速度。

取基座坐标系与基座相固连,取支柱向上的方向为z b的正向,取挠性轴的平衡位置为基座y b 轴方向,而x b轴由右手规则确定。

（只能测量x轴方向的旋转角速度）
音叉式(梳状)线振动硅微陀螺仪
音叉式(梳状)线振动硅微陀螺仪的基本结构如图
它主要由两边驱动器、中间驱动器、检测质量和连接检测质量的挠性支撑组成。

两边驱动器和中间驱动器固定在基座上,检测质量由挠性支撑与框架连接在一起，再由挠性弹簧片与基座相连。

由于挠性支撑和挠性弹簧片的特殊结构使得检测质量只能做X轴方向的线运动
和沿Y轴方向的转动。

为增加驱动器的工作效率,在两边驱动器和中间驱动器上都加装了静齿,而在平板型的检测质量上加装了动齿。

当音叉式(梳状)线振动硅微陀螺仪工作时,给两边驱动器和中间驱动器的静齿上加载带直流偏置的交流电压,检测质量上的动齿接地。

这样在动、静齿之间便产生大小和方向做周期性变化的静电吸引力,使检测质量和动齿一起在两边驱动器和中间驱动器之间来回振动,并带动框架和挠性支撑等一起振动。

由于两边驱动器的静齿上的电位总是相同的,中间驱动器的静齿上的电位也总是与边驱动器的电位反向,所以两检测质量和其上的动齿总是做相向和相背的交替振动且关于Y轴总是对称的。

如果这时陀螺仪的基座在惯性空间中转动（在y 轴方向上），由于哥氏力的作用，两检测质量和其上的动齿将受到大小相等但方向相反的交变哥氏力。

从而使得检测质量、动齿和挠性支撑一起沿Y轴方向做角振动，如下图。

这时检测质量、动齿、框架和挠性支撑等将总是保持在同一个平面内。

这样就可以通过测量这一角振动的幅度来获得陀螺仪的基座在惯性空间中转动的信息。

Y轴为敏感轴，当陀螺仪只做y轴方向的转动,并且静电引力的振动频率充分大时，基座在惯性空间所做y轴方向的转动的角速度近似地与框架相对于基座在Y轴方向的转动角的运动中振动频率与静电引力的振动频率相同的振动的振幅成正比。

当音叉式(梳状)线振动硅微陀螺仪在惯性空间中只做y轴方向的匀速转动时,最能反映转动的角速度ωy的量,是框架相对于基座在Y k(即Y b)轴方向的转动角θ(t)的运动中振动频率
与静电引力的振动频率相同的振动部分。

当基座在惯性空间中只做在与陀螺仪的基座固连的动坐标系(基座坐标系)的y轴方向的转动,并且静电引力的振动频率充分大时,它在y轴方向的
转动的角速度近似地与框架相对于基座在Y k(即Y b)轴方向的转动角θ(t)的运动中振动频率
与静电引力的振动频率相同的振动的振幅成正比,比例系数为
2M x F
I x+I z Mω3。