MEMS陀螺儀工作原理及性能提升方法的綜述

MEMS陀螺儀是一種應(yīng)用廣泛的新型微慣性傳感器，可實(shí)現(xiàn)高精度、小體積、抗干擾性強(qiáng)的角速度測(cè)量，被廣泛應(yīng)用于航空航天、平臺(tái)鉆井、自動(dòng)駕駛、可穿戴設(shè)備以及手機(jī)中。近年來(lái)，隨著對(duì)MEMS陀螺儀研究的不斷深入，許多新型MEMS陀螺儀的工作原理被提出，由于測(cè)量原理的不同，其性能差異往往很大。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)該領(lǐng)域研究，西北工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了綜述分析，系統(tǒng)介紹了MEMS陀螺儀的工作原理，詳細(xì)討論了各種工作模式下MEMS陀螺儀的性能提升方法，分析了各類(lèi)MEMS陀螺儀的發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合各模式特性對(duì)MEMS陀螺儀的發(fā)展做出了展望。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“MEMS陀螺工作原理及其性能提升方法”為題發(fā)表在《導(dǎo)航定位與授時(shí)》期刊上。

MEMS陀螺儀基本原理

振動(dòng)陀螺儀的動(dòng)力學(xué)原理非常復(fù)雜，可以近似地看作是一個(gè)二自由度動(dòng)力學(xué)模型。

圖1 MEMS陀螺儀動(dòng)力學(xué)模型

MEMS陀螺儀的五個(gè)核心性能是零偏不穩(wěn)定性、角度隨機(jī)游走、標(biāo)度因子非線性度、量程、帶寬。各類(lèi)不同等級(jí)的MEMS陀螺儀對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 各類(lèi)等級(jí)MEMS陀螺儀性能指標(biāo)

MEMS陀螺儀不同工作模式的實(shí)現(xiàn)與諧振子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)IEEE STD 1431，MEMS諧振子可分為兩類(lèi)，即Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)諧振子。Ⅰ類(lèi)諧振子的模式是非簡(jiǎn)并的，典型的例子是音叉諧振子；而Ⅱ類(lèi)諧振子的兩個(gè)模式是簡(jiǎn)并的，典型的例子是環(huán)形諧振子和微半球諧振子。通常來(lái)說(shuō)，Ⅱ類(lèi)諧振子的性能要優(yōu)于Ⅰ類(lèi)諧振子。該類(lèi)諧振子適用于實(shí)現(xiàn)陀螺儀的全角模式和力平衡模式，同時(shí)該類(lèi)諧振子也被廣泛用于正交調(diào)頻（QFM）、往復(fù)調(diào)頻（IFM）和全差分調(diào)頻等模式匹配的調(diào)頻（FM）陀螺儀。

典型的Ⅱ類(lèi)諧振子結(jié)構(gòu)包括環(huán)形諧振子、盤(pán)式諧振子、微半球諧振子等。微半球諧振子是近年來(lái)的熱門(mén)話題，它可用于實(shí)現(xiàn)高性能的力平衡和全角陀螺儀。與其它硅基的Ⅱ類(lèi)諧振子相比，由于使用了內(nèi)部損耗較低的熔融石英材料，微半球諧振子的品質(zhì)因數(shù)可達(dá)5 M左右。此外，還有一種集總質(zhì)量的Ⅱ類(lèi)諧振子——四質(zhì)量塊諧振子，可用于實(shí)現(xiàn)力平衡、全角和調(diào)頻操作。它繼承了音叉諧振子模態(tài)質(zhì)量大和角度增益高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于其高度對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，這種諧振子還具有很高的品質(zhì)因數(shù)。如今，一些使用四質(zhì)量諧振子的MEMS陀螺儀的性能已接近慣性級(jí)。

圖2 Ⅰ類(lèi)諧振子（a ~ d）與Ⅱ類(lèi)諧振子（e ~ i）

調(diào)幅模式

調(diào)幅模式是MEMS陀螺儀應(yīng)用最廣泛的工作模式。傳統(tǒng)調(diào)幅工作模式通常也稱(chēng)速率模式，主要有兩種情形，其一是開(kāi)環(huán)模式。在該模式下，陀螺儀的驅(qū)動(dòng)模態(tài)被控制至恒定的幅值，而檢測(cè)模態(tài)不施加激勵(lì)。當(dāng)有角速度輸入時(shí)，陀螺儀的檢測(cè)模態(tài)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的敏感位移。其二是力平衡模式也稱(chēng)閉環(huán)模式。力平衡模式最早由Boser等于1995年在加速度計(jì)上實(shí)現(xiàn)。與開(kāi)環(huán)模式不同的是，力平衡陀螺儀通過(guò)對(duì)檢測(cè)電極施加實(shí)時(shí)的力來(lái)平衡由角速度引起的位移。在該模式下，陀螺儀驅(qū)動(dòng)軸的位移被控制到恒定值，檢測(cè)軸的振幅被抑制到0。

開(kāi)環(huán)陀螺儀和力平衡陀螺儀具有相同的誤差源，例如耦合剛度誤差、相位誤差以及耦合阻尼誤差等，這些誤差源以類(lèi)似的方式影響著兩種陀螺儀的性能。為了解決這些問(wèn)題，人們提出了多種方案，例如正交誤差抑制、模式匹配、相位誤差抑制等。

圖3 調(diào)幅陀螺儀相關(guān)工作

全角陀螺儀

全角陀螺儀具有許多優(yōu)勢(shì)，首先它可以直接測(cè)量角度，從而消除了速率陀螺儀偏置誤差積分時(shí)所產(chǎn)生的航向誤差。其次，全角陀螺儀的比例因子穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境變化不敏感，因此具有高度穩(wěn)定性。此外，全角陀螺儀具有無(wú)限帶寬的潛力，相比速率陀螺儀具有更寬的動(dòng)態(tài)范圍。然而，全角陀螺儀對(duì)諧振子的工藝以及測(cè)控電路有很高的要求。目前，MEMS全角陀螺儀受許多誤差的影響，還未達(dá)到預(yù)期的性能。

圖4 全角陀螺儀工作原理及其代表工作

調(diào)頻陀螺儀

與調(diào)幅和全角陀螺儀不同，調(diào)頻陀螺儀通過(guò)哥氏效應(yīng)引起的頻率變化實(shí)現(xiàn)角速度讀出。2002年，Seshia等在MEMS雙端音叉陀螺儀上首次實(shí)現(xiàn)了頻率讀出。此后，不同種類(lèi)的調(diào)頻陀螺儀被提出，這類(lèi)陀螺儀大多都具有比例因子穩(wěn)定性好、溫度穩(wěn)定性高以及帶寬高等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)調(diào)頻陀螺儀受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

圖5 調(diào)頻陀螺儀相關(guān)工作

研究展望

在MEMS諧振子層面：

（1）為了提高M(jìn)EMS陀螺儀系統(tǒng)性能，必須增加系統(tǒng)中傳感器的緊湊性和冗余度，因此MEMS諧振子的微型化勢(shì)不可擋。對(duì)于微半球等高性能諧振子來(lái)說(shuō)，它可以實(shí)現(xiàn)高精度的全角/力平衡操作，雖然其三維幾何形狀限制了其進(jìn)一步應(yīng)用，但這為新型集成和封裝策略提供了機(jī)會(huì)。另一方面，由于平面結(jié)構(gòu)更利于MEMS工藝加工，故音叉以及盤(pán)式等平面內(nèi)諧振子更有可能突破NEMS工藝。

（2）對(duì)于工作在各種模式下的陀螺儀，其性能與諧振子本身的性能有很大聯(lián)系。對(duì)諧振子的高要求使得諧振子結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜。近年來(lái)，隨著人工智能（AI）技術(shù)的興起，各類(lèi)智能優(yōu)化算法有望替代傳統(tǒng)的優(yōu)化算法提升MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)效率。

在硬件電路層面：

（1）小型化與低功耗是MEMS陀螺儀的發(fā)展趨勢(shì)，尤其對(duì)于控制電路簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)與李薩如調(diào)頻（LFM）陀螺儀。集成電路允許針對(duì)電路元件特異性優(yōu)化，并且可以實(shí)現(xiàn)功耗、大小、成本和性能之間的折衷。因此，ASIC電路的應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)MEMS陀螺儀的商業(yè)化。

（2）傳統(tǒng)MEMS陀螺儀通過(guò)電容實(shí)現(xiàn)諧振子的驅(qū)動(dòng)與位移的檢測(cè)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，受拉入效應(yīng)的影響，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)力和振動(dòng)位移進(jìn)行折衷，同時(shí)電容換能器也可能帶來(lái)非線性，進(jìn)而影響陀螺儀性能。壓電驅(qū)動(dòng)將是潛在的替代方案。壓電材料允許增加位移幅度，而不會(huì)產(chǎn)生電容性非線性效應(yīng)，這有助于提升LFM和開(kāi)環(huán)陀螺儀的分辨率，或降低全角陀螺儀的4θ諧波。

在軟件算法層面：諧振子和硬件電路的升級(jí)能夠提升MEMS陀螺儀的精度極限，而軟件算法的加持則能夠使MEMS陀螺儀充分發(fā)揮其性能潛力。因此，研究各種模式下MEMS陀螺儀的誤差建模與補(bǔ)償是有必要的。對(duì)于傳統(tǒng)調(diào)幅陀螺儀來(lái)說(shuō)，其誤差補(bǔ)償方法已經(jīng)較為成熟，但現(xiàn)有的補(bǔ)償方案大多只針對(duì)一種誤差。因此，可以基于現(xiàn)有方法設(shè)計(jì)合理的誤差補(bǔ)償流程以消除陀螺儀中的多種誤差源。對(duì)于全角模式來(lái)說(shuō)，諧振子缺陷引起的阻尼誤差是主要的誤差源，最近提出的基于熱阻效應(yīng)的阻尼修調(diào)方案有希望廣泛用于耦合阻尼誤差的消除。另外，盡管許多補(bǔ)償算法大幅提升了陀螺儀的性能，但是這些方法大多是離線的，缺乏實(shí)時(shí)性。因此，開(kāi)發(fā)全角陀螺儀的在線補(bǔ)償算法是很有必要的。對(duì)于調(diào)頻陀螺儀的誤差建模和補(bǔ)償技術(shù)的研究還處于起步階段。目前可以優(yōu)先考慮對(duì)廣泛存在于陀螺儀中的耦合剛度與耦合阻尼誤差設(shè)計(jì)補(bǔ)償方案，例如通過(guò)速度反饋以及正交控制回路抑制消除差分調(diào)頻陀螺儀的耦合阻尼誤差和正交誤差，還可以通過(guò)兩軸的頻差為特征量實(shí)現(xiàn)QFM陀螺儀的模式匹配。另外，還可以通過(guò)靜電調(diào)諧消除剛度軸的傾斜角，進(jìn)而消除LFM陀螺儀中的正交誤差。

論文信息：
DOI: 10.19306/j.cnki.2095-8110.2024.02.002