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嵌套环MEMS陀螺关键技术的实现资料说明
王伟
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陀螺是用于测量载体相对惯性空间旋转运动中运动角速度和角度的传感器，是运动控制、姿态监测、导航制导等领域的核心器件，在工业和国防领域具有广泛且重要的应用。陀螺从原理上可分为基于高速旋转刚体的定轴性与进动性工作的机械转子类陀螺、基于光的 Sagnac 效应的光学类陀螺、基于哥氏力效应的振动类陀螺、基于原子干涉的冷原子陀螺及基于原子自旋的核磁共振陀螺等。其中，基于哥氏力效应的振动类陀螺寿命长、成本低，而且随着微机械加工技术的发展，逐步延伸到微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）领域。MEMS 振动陀螺具有体积小、功耗低、寿命长、成本低等突出特点，在移动载体、汽车、无人机等领域得到了广泛的应用。目前，已经问世的新型高性能 MEMS 陀螺主要包括微半球谐振陀螺、核磁共振微陀螺、四质量块 MEMS 陀螺和嵌套环 MEMS 陀螺等。其中，嵌套环 MEMS 陀螺（Disk Resonator Gyroscope，DRG）由波音公司和 JPL 实验室首次提出，该 MEMS 陀螺具有轴对称的谐振结构、较高的电容灵敏度、更好的加工鲁棒性的特点，因此具有较高的性能潜力。该陀螺采用较为成熟的平面微加工技术，在制造成本和可靠制造上更具优势，是目前最具有潜力的 MEMS 振动陀螺方案。本文主要围绕嵌套环 MEMS 陀螺的关键技术展开调研，分析讨论了国内外主要研究机构在嵌套环 MEMS 陀螺关键技术上的研究思路和进展，为后续嵌套环 MEMS 陀螺的研究提供参考和借鉴。
1 嵌套环 MEMS 陀螺的结构和工作原理嵌套环 MEMS 陀螺的敏感结构和工作模态如图 1 所示。敏感结构为陀螺的核心部分，主要由谐振结构和电极组成。谐振结构由多个同心薄壁圆环通过交叉分布的辐条相连，并连接到中心键合锚点上。嵌套环 MEMS 陀螺拥有众多的电极，电极与谐振结构之间形成径向间隙构成电容，用于结构驱动和信号检测。嵌套环 MEMS 陀螺具有多个模态，随着模态阶数升高，陀螺频率增大且等效质量和品质因数减小，这不利于陀螺性能的提升。因此，嵌套环 MEMS 陀螺通常工作在二阶椭圆简并模态。在角速率工作模式下，陀螺在驱动轴方向保持横幅振动，当存在垂直面外方向的角速度输入时，陀螺会在检测轴方向产生位移。通过测量该位移的变化，即可得到陀螺角速度的大小。
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