微半球陀螺研究文獻綜述最近的幾十年里，微電子機械系統(tǒng)（MicroElectroMechanicalSystem,MEMS）的發(fā)展十分火熱。MEMS是在納米甚至微米單位尺度中集成一系列微型執(zhí)行器、傳感器甚至結構、機械和一些IC工藝而形成的具有特定功能的裝置和系統(tǒng)。而MEMS陀螺儀是隨著MEMS技術的發(fā)展進而被制造出的一種新式微型陀螺儀。MEMS陀螺儀有著低成本、體積小、低功耗和可批量化生產(chǎn)的特特點。它制造成本越來越低，但產(chǎn)品的精度可以持續(xù)提高，這也得益于MEMS技術的不斷發(fā)展。目前MEMS陀螺已經(jīng)在中低端的消費群中站穩(wěn)了腳跟，但它的性能與發(fā)展完善的傳統(tǒng)激光陀螺和光纖陀螺相比還有著顯著的差距[2,3]。 MEMS陀螺儀的種類可根據(jù)原理分為很多種，在當前的研究領域中，研究的熱點主要有振動盤結構陀螺、諧振環(huán)式陀螺儀、線振動音叉陀螺以及微型半球諧振陀螺等等。MEMS陀螺儀按照驅動方式又可以分為壓電驅動、靜電驅動和電磁式驅動，按照檢測方式可以分為壓電檢測、電容檢測、壓阻式檢測、光學檢測等等。在眾多MEMS陀螺儀當中采取靜電驅動和電容檢測的方式制作的微機電陀螺儀因其更符合MEMS工藝而從中脫穎而出。而根據(jù)不同原理分出的MEMS陀螺儀則各有利弊。 MEMS音叉式陀螺和傳統(tǒng)的音叉式陀螺儀類似，是很經(jīng)典的MEMS陀螺儀。由于其梳齒電容的形狀和振動的模態(tài)和普通音叉類似而得名。美國的佐治亞理工學院在2004年研制出一種線性振動全對稱音叉式振動硅微機械陀螺儀。采用的就是靜電驅動和電容檢測的方式，在梳齒裝電極靜電激勵下，質(zhì)量塊沿驅動的方向振動（x軸）[11]。那么在科氏加速度的作用下，在與諧振方向垂直的方向（y軸）通過電容變化測量位移。通過原理圖1.1（a）可以看到，該陀螺采用完全對稱等高、大矩形質(zhì)量塊的位移，和經(jīng)典陀螺儀結構類似，具有很好的前景，但其比較大的零偏漂移誤差限制了其精度發(fā)展和適用范圍。（a）原理圖（b）SEM圖圖1.1佐治亞理工學院線性振動全對稱音叉式振動硅微機械陀螺 MEMS振動環(huán)式陀螺儀主要由MEMS陀螺儀內(nèi)部的圓環(huán)形狀的諧振子構成。第一個環(huán)形諧振陀螺儀是由密歇根大學和通用汽車研發(fā)的。該陀螺儀由支撐彈簧、震動環(huán)、以及控制電極所組成[1]。圓環(huán)形狀的諧振子在電極的驅動下產(chǎn)生一種四波腹模態(tài)并具有固定值的振幅，在科氏力的作用下，第一種模態(tài)的能量可以轉移到第二模態(tài)。對第二模態(tài)進行檢測就可以得出輸入角速度。振動環(huán)式陀螺儀精度很高，前景火熱但由于支撐彈簧和震動環(huán)的制備難度很大，成品率較低，比較難制備出結構完美的圓環(huán)諧振體。圖1.2密歇根大學首次研制的振動環(huán)式諧振陀螺儀 MEMS半球諧振陀螺儀相比于其他陀螺儀，是具有更多潛力的高精度陀螺儀之一。它作為MEMS陀螺儀和傳統(tǒng)半球諧振陀螺儀的結合產(chǎn)物。既具有半球諧振陀螺儀穩(wěn)定性好、壽命長、可靠性高、抗核輻射、耐高沖擊振動、起動時間短、工作溫度范圍大、對線性過載不敏感等突出優(yōu)點，又擁有MEMS陀螺儀的體積小、重量輕、功耗低、成本低等優(yōu)勢，目前已有很多的國內(nèi)外研究機構對其研究。本文也將著重對微半球陀螺進行設計和研究。 國內(nèi)對于微半球陀螺的研究進展一直落后于美國，但近年來微半球諧振陀螺的發(fā)展是突飛猛進。我國東南大學[12]對基于高空和太空使用的基礎上，研制出微型化、低噪聲和低頻率裂解的微型半球諧振陀螺（HemisphericalResonatorGyroscope,HRG）。在實驗過金剛石、Al2O3、石英玻璃等等后，選定了用石英玻璃進行圓片級玻璃膨脹加工技術來吹制半球諧振體，如圖1.3。圖1.3東南大學玻璃膨脹技術制備的半球諧振子 國內(nèi)中北大學將研究重點放在如何將電極和諧振體一體化制備上。中北大學同樣采用了玻璃吹制技術，在半球殼周圍制作電極半球，并將金屬濺射在電極和諧振體表面形成電容器，如圖1.4。中北大學[20]的制作方法相比于其他一體制作的電極和諧振體來說，具有更小的等效間隙距離和更大的有效面積。圖1.4中北大學電極諧振體一體化制作的半球諧振子 國防科技大學[15]在2018年同樣利用玻璃吹制的技術制作了半球諧振體，但他的特色在于采用飛秒激光的方式釋放諧振結構體，可以更加精準并能夠達到頻率預修調(diào)的作用。同年還采用了在高速旋轉的工作平臺上對圓片玻璃進行玻璃吹制來制作半球諧振體的手法。將圓度誤差從70m降到7m。（a）玻璃吹制成形的三維結構（b）鍍膜后的諧振結構圖2.3國防大學用玻璃吹制和飛秒激光切割得出的半球諧振結構 國外對于微機電陀螺的研究要早于國內(nèi)，在1987年美國Draper實驗室[2]就研制出了世界上第一只微陀螺。國外陀螺在制作工藝方面上已經(jīng)更加趨于完善，近年來國外的研究重點在于從微半球諧振陀螺的經(jīng)典結構中去優(yōu)化和創(chuàng)新出更多不同的結構。密歇根大學利用高溫噴燈對熔融石英材料進行吹制，形成了如圖2.4（b）-2.4（d）的多種結構形式。其目的在于提高結構的品質(zhì)因數(shù)和穩(wěn)定驅動模態(tài)的分布。在未進行表面金屬化之前，諧振結構的品質(zhì)因數(shù)Q高最高可達到驚人的980萬。（a）三維殼體諧振結構（b）微焊接結構（c）鈴形結構（d）變壁厚結構參考文獻馬方毅.MEMS諧振器及陀螺儀的設計、加工與測試[D].浙江大學,2017.周鑫,肖定邦,吳學忠.微機電陀螺的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].國防科技,2015,36(04):8-14.莊海涵,李新坤,劉國文,王學峰,徐宇新.MEMS慣性儀表發(fā)展趨勢[A].中國航天電子技術研究院科學技術委員會.第四屆航天電子戰(zhàn)略研究論壇論文集（新型慣性器件專刊）[C].中國航天電子技術研究院科學技術委員會:航天電子發(fā)展戰(zhàn)略研究中心,2018:9.Singh,Sajal&Darvishian,Ali&Cho,Jae&Shiari,Behrouz&Najafi,Khalil.(2019).High-Q3DMicro-ShellResonatorwithHighShockImmunityandLowFrequencyMismatchforMEMSGyroscopes.10.1109/MEMSYS.2019.8870818.Asadian,Mohammad&Wang,Yusheng&Shkel,A.M..(2019).Developmentof3DFusedQuartzHemi-ToroidalShellsforHigh-QResonatorsandGyroscopes.JournalofMicroelectromechanicalSystems.PP.1-11.10.1109/JMEMS.2019.2945713.WangRenxin,BaiBing,FengHengzhen,etal.DesignandFabricationofMicroHemisphericShellResonatorwithAnnularElectrodes[J].Sensors.2016,16,(12):1991.Lu,Kun&Shi,Yan&Xiao,Dingbang&Hou,Zhanqiang&Li,Wei&Wu,Xuezhong&Wu,Yulie.(2018).InvestigationonprecisefrequencytrimmingofamicroshellresonatorwithT-shapemassesusinglow-powerfemtosecondlaserablation.萬泉.微型半球諧振陀螺檢測與控制系統(tǒng)研究[D].蘇州大學,2018.錢超.MEMS諧振陀螺數(shù)字化驅動技術研究[D].蘇州大學,2017.Zhao,W.&Cheng,Y.&Sun,D.&Tang,J.&Liu,Z.&Ou,B.&Zhang,W..(2017).DesignofMEMSRIGwithhemisphericalresonatoranditsFPGplatform.38.40-44.10.16818/j.issn1001-5868.2017.01.009.SharmaA,ZamanMF,ZucherM,etal.A0.1°/HRbiasdriftelectronicallymatchedtuningforkmicrogyroscope[C]//2008IEEE21stInternationalConferenceonMicroElectroMechanicalSystems.IEEE,2008.LuoB,ShangJ,ZhangY.HemisphericalglassshellresonatorsfabricatedusingChemicalFoamingProcess[C]//ElectronicComponents&TechnologyConference.IEEE,2015.Tong,Z.&Zhang,H.&Qiao,W.&He,K.&Zhang,Z.&Long,S..(2017).DesignofHighPrecisionDigitalClosed-LoopDriveControlSystemofMEMSGyroscope.ChineseJournalofSensorsandActuators.30.397-401.10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.011.BuF,XuD,ZhaoH,etal.MEMSGyroscopeAutomaticReal-TimeMode-MatchingMethodBasedonPhase-Shifted45°AdditionalForceDemodulation[J].Sensors,2018,18(9).WeiL,LuK,XiaoD,etal.MicroshellresonatorwithT-shapemassesforimprovingout-of-planeelectrostatictransductionefficiency[C]//IEEEInternationalSymposiumonInertialSensors&Systems.IEEE,2016.韋贊仁.微型半球諧振陀螺力平衡模式控制技術研究[D].東南大學.孫殿竣,張衛(wèi)平,唐健,等.MEMS微半球諧振陀螺的力反饋模態(tài)及其FPGA平臺實現(xiàn)[J].儀表技術與傳感器,2017,000(006):141-144,149.佚名.MEMS半球諧振陀螺的角速度積分及其FPGA設計[J].半導體光電,2017(1).徐磊.微半球諧振陀螺的工藝優(yōu)化與結構測試[D].東南大學.Wang,Renxin,Bing,etal.DesignandFabricationofMicroHemisphericSh