邢朝洋趙 克徐宇新(北京航天控制儀器研究所北京100039)

單片集成三軸微機(jī)電陀螺儀

邢朝洋，趙 克，徐宇新
(北京航天控制儀器研究所，北京100039)

為使陀螺儀進(jìn)一步小型化、集成化，提出了一種新型單片集成三軸微機(jī)電陀螺儀，該陀螺儀采用單一MEMS結(jié)構(gòu)芯片實(shí)現(xiàn)3個(gè)軸向角速度的測(cè)量。介紹了單片三軸陀螺儀工作方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電路原理，完成了MEMS結(jié)構(gòu)的流片加工，對(duì)陀螺儀表頭和整機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，單片三軸微機(jī)電陀螺儀x軸、y軸和z軸零偏穩(wěn)定性分別達(dá)到53.4(°)／h、70.8(°)／h和18.4(°)／h，非線性度分別為1.59×10－4、3.3×10－4和2.18×10－4。該陀螺儀具有三軸角速率檢測(cè)效應(yīng)，具有集成度高、體積小的優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

單片三軸；微機(jī)電；陀螺儀；零偏穩(wěn)定性

0 引言

MEMS陀螺儀在近幾年發(fā)展迅速，在宇航、武器、汽車、消費(fèi)電子、機(jī)器人和醫(yī)療等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)陀螺儀的要求也越來(lái)越高。對(duì)于MEMS陀螺儀，小型化是目前重要的發(fā)展趨勢(shì)。其中，多軸集成的微陀螺儀是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

三軸微陀螺儀的集成方式可以分為3類：第一類是采用3個(gè)單軸陀螺儀進(jìn)行微型化封裝集成的三軸微陀螺儀，該方式是在成熟的單軸陀螺儀基礎(chǔ)上開展的，設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)都比較成熟，產(chǎn)品精度較高。國(guó)外已取得相關(guān)產(chǎn)品，但體積較大，如挪威Sensonor公司的三軸陀螺儀STIM202［1］和ADI公司的ADIS16365［2］；第二類是在同一基板上制作2個(gè)或3個(gè)敏感結(jié)構(gòu)，共用同一電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸角速度的測(cè)量，如Invensense公司在2009年底推出的新款三軸陀螺儀ITG3200，封裝尺寸為4mm×4mm×0.9mm，量程達(dá)到2000(°)／s，噪聲0.03(°)／s／Hz ；第三類是采用一個(gè)敏感結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸的角速度測(cè)量，國(guó)外多家研制機(jī)構(gòu)開展了單片三軸MEMS陀螺儀的研究［4?8］，產(chǎn)品已開始應(yīng)用于消費(fèi)類市場(chǎng)，如ST的L3G4200D［3］和VTI的CMR3000，具有低成本、體積小的特點(diǎn)，但目前精度還比較低。

國(guó)內(nèi)對(duì)于單片三軸硅微陀螺儀的研究剛剛起步，東南大學(xué)微慣性儀表實(shí)驗(yàn)室報(bào)導(dǎo)了一種四自由度單片式三軸陀螺儀結(jié)構(gòu)，給出了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)，描述了加工工藝，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性［9?10］。

本文提出了一種新型的單片集成三軸微機(jī)電陀螺儀，屬于上述第三類三軸陀螺儀。本文研究了單片三軸微機(jī)電陀螺儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本尺寸、振動(dòng)模態(tài)和工作方式，描述了陀螺儀表頭結(jié)構(gòu)的加工工藝流程，實(shí)現(xiàn)了三軸陀螺儀共用電路，三軸陀螺儀表頭和整機(jī)測(cè)試結(jié)果表明達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1 三軸陀螺儀工作原理

三軸陀螺儀采用單結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。結(jié)構(gòu)由4個(gè)主質(zhì)量塊構(gòu)成，4個(gè)主質(zhì)量塊通過(guò)斜梁連接。每個(gè)主質(zhì)量塊上帶有2個(gè)小質(zhì)量塊，主質(zhì)量塊與小質(zhì)量塊通過(guò)H型梁連接，2個(gè)小質(zhì)量塊之間由橫梁來(lái)連接。該結(jié)構(gòu)的尺寸為 6.5mm× 6.5mm，結(jié)構(gòu)各個(gè)部分關(guān)鍵尺寸如表1所示。

表1 三軸硅微陀螺儀主要結(jié)構(gòu)尺寸(單位:μm)Table 1 Dimensions of tri?axis silicon MEMS gyro(unit:μm)

該陀螺儀的工作模態(tài)分別為驅(qū)動(dòng)模態(tài)、x軸檢測(cè)模態(tài)、y軸檢測(cè)模態(tài)和z軸檢測(cè)模態(tài)。三軸陀螺儀的驅(qū)動(dòng)模態(tài)如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)梳齒上施加帶有直流偏置的交變電信號(hào)，在諧振狀態(tài)下，4個(gè)主質(zhì)量塊在諧振頻率下振動(dòng)。其中，上、下和左、右2組主質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)相位相反。

三軸硅微陀螺儀的x軸和y軸檢測(cè)模態(tài)如圖3所示。當(dāng)沿面內(nèi)的x軸有角速度輸入時(shí)，陀螺儀沿y軸分布的兩個(gè)主質(zhì)量塊由于科氏力的作用在z軸方向作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，如圖3(a)所示，主質(zhì)量塊的振幅與輸入的角速度大小成正比關(guān)系。另一方面，主質(zhì)量塊與對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電極組成的電容發(fā)生變化，電容變化量與質(zhì)量塊的振幅近似成正比，因此可根據(jù)檢測(cè)電極電容變化量的大小得出x軸輸入角速度的大小；同理，當(dāng)沿平面y軸有角速度輸入時(shí)，陀螺儀沿x軸分布的兩個(gè)主質(zhì)量塊由于科氏力的作用在z軸方向作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，如圖3(b)所示，通過(guò)y軸檢測(cè)電極測(cè)出y軸輸入的角速度大小。

三軸硅微陀螺儀的z軸檢測(cè)模態(tài)如圖4所示。當(dāng)z軸有角速度輸入時(shí)，8個(gè)小質(zhì)量塊在科氏力的作用下在平面內(nèi)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，小質(zhì)量塊的振幅與輸入的角速度大小成正比。同樣地，通過(guò)z軸檢測(cè)電極電容變化量的大小，檢測(cè)得出z軸輸入角速度的大小。8個(gè)電容分成兩組進(jìn)行差分檢測(cè)，可抵消共模誤差的影響。

通過(guò)ANSYS軟件仿真得出各個(gè)工作模態(tài)諧振頻率，如表2所示。

表2 三軸硅微陀螺儀各模態(tài)頻率Table 2 The resonance mode frequencies of tri?axis MEMS gyro

2 三軸陀螺儀工藝流程

三軸硅陀螺儀采用SOG工藝加工制作，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并需要兼顧3個(gè)工作頻率，工藝加工難度較大，特別是對(duì)芯片厚度精度要求較高，加工中將厚度誤差控制到1μm以內(nèi)。加工完成的陀螺儀結(jié)構(gòu)照片如圖5(a)所示，梳齒結(jié)構(gòu)的SEM照片如圖5(b)所示。

陀螺儀結(jié)構(gòu)采用器件級(jí)真空封裝，芯片黏接在陶瓷管殼中，進(jìn)行真空烘烤、引線鍵合和封帽，完成陀螺儀表頭的加工制作。未封帽前的陀螺儀表頭如圖6所示，表頭的封裝尺寸為11.4 mm× 11.4 mm×2.0mm。

3 三軸陀螺儀電路原理

單片三軸微機(jī)電陀螺儀采用單驅(qū)動(dòng)三方向檢測(cè)的模式進(jìn)行工作，因此電路結(jié)構(gòu)分為1個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊和3個(gè)檢測(cè)模塊。相比于3個(gè)單軸陀螺儀集成的方式，其電路最大限度實(shí)現(xiàn)公用，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小和功耗低的優(yōu)勢(shì)。三軸陀螺電路圖如圖7所示。

4 三軸陀螺儀測(cè)試

陀螺儀整機(jī)如圖8所示。電路采用的是厚膜集成電路，整個(gè)樣機(jī)的尺寸為51mm×41mm×6mm。之后，對(duì)陀螺儀芯片及整機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 表頭特性掃頻測(cè)試

將信號(hào)發(fā)生器接入陀螺電路進(jìn)行激勵(lì)，采用C／V電路作為輸出端進(jìn)行檢測(cè)，各個(gè)工作模態(tài)的掃頻曲線如圖9所示。并依據(jù)式(1)進(jìn)行Q值計(jì)算：

式中，f0為諧振頻率，f1、f2分別為半功率點(diǎn)頻率。

從圖9(a)中可以看出，驅(qū)動(dòng)模態(tài)曲線較為理想，驅(qū)動(dòng)諧振頻率附近無(wú)其他峰值，無(wú)其他模態(tài)干擾；在圖9(b)和圖9(c)中，x軸、y軸檢測(cè)模態(tài)曲線基本一致，表明兩個(gè)模態(tài)對(duì)稱性較好；圖9(d)中，z軸檢測(cè)模態(tài)與x軸、y軸檢測(cè)模態(tài)相比，Q值較高，但諧振頻率附近有其他模態(tài)的干擾。

各個(gè)模態(tài)諧振頻率的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果如表3所示。從結(jié)果可以看出，仿真與測(cè)試結(jié)果之間符合度較高。

表3 三軸硅微陀螺儀各模態(tài)的仿真計(jì)算頻率和測(cè)試頻率Table 3 The simulating results and measurement results of tri?axis resonance modes

4.2 樣機(jī)性能測(cè)試

(1)速率測(cè)試

對(duì)三軸陀螺儀樣機(jī)進(jìn)行速率測(cè)試，速率測(cè)試測(cè)試范圍為±500(°)／s，速率測(cè)試曲線如圖10所示。

各個(gè)軸向的標(biāo)度因數(shù)分別為12.8mV／(°)／s、11.9mV／(°)／s和12.7mV／(°)／s，非線性度分別為1.59×10－4、3.3×10－4和2.18×10－4，非線性度均小于5×10－4。

(2)零位穩(wěn)定性測(cè)試

采集三軸陀螺儀零位穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，進(jìn)行Allan方差分析，曲線如圖11所示。對(duì)該曲線運(yùn)用式(2)進(jìn)行擬合：

式中，τ為Allan方差的時(shí)間長(zhǎng)度；Am為擬合系數(shù)。得到x軸的零偏穩(wěn)定性為53.4(°)／h，角度隨機(jī)游走為 4.72(°)／h ；y軸的零偏穩(wěn)定性為70.8(°)／h，角度隨機(jī)游走為6.59(°)／h；z軸的零偏穩(wěn)定性為18.4(°)／h，角度隨機(jī)游走為3.34(°)／h。可見，x軸、y軸輸出的零偏穩(wěn)定性和噪聲與z軸方向相比較差。

對(duì)此陀螺儀結(jié)構(gòu)，x檢測(cè)軸、y檢測(cè)軸工作于面外扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)與z軸面內(nèi)線振動(dòng)模態(tài)相比，前者對(duì)加工精度要求較高，尤其對(duì)芯片厚度的均勻性要求更加嚴(yán)格。又由于其阻尼為壓膜阻尼，Q值較低；后者受加工工藝誤差影響相對(duì)較小，且采用梳齒進(jìn)行檢測(cè)，表面的阻尼類型為滑膜阻尼，Q值較高。

綜合以上測(cè)試數(shù)據(jù)，此三軸陀螺儀各項(xiàng)性能參數(shù)如表4所示?？梢姡撏勇輧x具備了三軸角速度檢測(cè)功能，并實(shí)現(xiàn)了一定的精度。

表4 整表測(cè)試結(jié)果Table 4 The measurement results of prototype performance

5 結(jié)論

本文提出了一種單片三軸微機(jī)電陀螺儀，采用單一MEMS結(jié)構(gòu)芯片實(shí)現(xiàn)3個(gè)軸向角速度的測(cè)量，三軸陀螺儀采用 “單驅(qū)三檢”的模式，最大程度實(shí)現(xiàn)了電路共用，經(jīng)過(guò)研制，實(shí)現(xiàn)了具有一定的精度的樣機(jī)。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，單片三軸微機(jī)電陀螺儀3個(gè)軸之間的性能匹配程度還有待提高。目前該樣機(jī)尺寸還較大，但由于芯片結(jié)構(gòu)體積較小，具有小型化的潛力，如采用ASIC電路減小電路體積、采用圓片級(jí)封裝技術(shù)可進(jìn)一步減小整表體積。

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Monolithic Integrated Tri?axis MEMS Gyroscope

XING Chao?yang，ZHAO Ke，XU Yu?xin
(Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039)

This article proposed a novel single?chip integrated tri?axis MEMS gyroscope，which was benefit for device miniature and integration.Only one chip MEMS structure was used to achieve tri?axis angular rate detection.Firstly，the operating principle，structure and electronic circuits of the gyroscope were introduced.Secondly，the fabrication process of silicon micro?structure was presented.Finally，the performances of gyroscope chip and the prototype were measured.The bias stabilities were 53.4(°)／h，70.8(°)／h and 18.4(°)／h inx?axis，y?axis andz?axis，respectively.The nonlinearities were 1.59×10－4，3.3×10－4and 2.18×10－4inx?axis，y?axis andz?axis，respectively.This gyroscope has tri?axis angular rate detection effect，with the advance of chip structure miniature，have certain application potentiality.

single chip tri?axis;micro electro mechanical;gyroscope;bias stability

U666.12＋3

A

1674?5558(2017)02?01274

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.011

邢朝洋，男，博士，研究方向?yàn)镸EMS慣性儀表。

2016?05?03