第９卷第３期２０１０年８月
导航与控制
ＮＡＶＩＧＡＴＩＯＮＡＮＤＣＯＮＴＲＯｋ
Ｖ０１．９Ｎｏ．３
Ａｕｇ．２０１０
文章编号：１６７４－５５５８（２０１０）０２－００６１３
微机电陀螺仪技术研究进展
王寿荣李宏生黄丽斌杨波夏敦柱
（东南大学微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室，南京２１００９６）
摘要：本文分析了振动微陀螺、转子微陀螺和介质类微陀螺的发展现状和各自的技术特最，提出了改善性能的几点看法。
中图分类号：Ｕ６６６．１２＋３文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－５５５８．２０１０．０３．００８ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭＥＭＳＧｙｒｏｓｃｏｐｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳｇｙｒｏ；ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｌｅｖｉｔａｔｅｄｒｏｔｏｒ；ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｔｕｎｅｄ
Ｏ引言
微机电陀螺仪是利用微机电系统（ＭＥＭＳ）加工技术和测控技术研制的一类新型的惯性仪表，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、动态性能好等特点，可广泛应用于制导弹药、中近程战术导弹、轻小型动能武器、鱼雷水雷以及微小卫星、无人作战平台、火控稳定系统等武器装备系统中。微机电陀螺仪起步于２０世纪８０年代后期，经过２０多年的努力，微机电陀螺仪技术取得了长足的进步与发展。已开发研制出数十种微机电陀螺。根据工作方式的不同，微机电陀螺可分为振动式、转子式和介质类。振动陀螺通过驱动检测质量作高频振动产生动量矩，敏感基座角运动。目前常见的包括硅振动陀螺和石英陀螺。转子式微陀螺通过驱动检测质量作高速旋转产生动量矩，敏感基座角运动。转子微陀螺按支承方式可分为悬浮式和调谐式。悬浮式微陀螺，其转子体悬浮在空间，通过静电场（静电悬浮式）或磁场（磁悬浮式）控制其运动，产生动量矩并敏感角运动。调谐式微陀螺是基于动力调谐的原理，由高速旋转的电机通过挠性支承带动薄片转子高速旋转，产生动量矩，并敏感角运动。介质类微陀螺则通过特殊介质传递哥氏效应产生的能量，目前包括微流体陀螺（通过气流传递）和声表面波陀螺（通过声表面波传递）。
１振动式微陀螺
振动式微陀螺是当前微机电陀螺的主流：按驱动方式分：有电容驱动、电磁驱动和压电驱动；按检测方式分：有电容检测、电流检测、频率检测、电阻检测和压电检测等形式。国内对振动式硅微陀螺的研究始于上世纪９０年代初，经过十多年的努力，已在硅陀螺的设计、加工、封装与测控技术等方面取得了重要突破，硅微陀螺仪已开始从实验室
收稿日期：２０１０－０３修订日期：２０１０－０５
作者简介：王寿荣，男。教授，从事微惯性仪表技术研究工作。
通信地址：南京市四牌楼２号东南大学仪器科学与工程学院（２１００９６）万方数据
第３期王寿荣等：微机电陀螺仪技术研究进展・３９・
研制走向了工程实用。硅陀螺大多是平面结构、一
次成型，因此具有结构简单、制作容易等优点。但
是，硅材料相对于石英材料，其温度特性较差，目
前的ＳＯＧ工艺还无法进行硅陀螺结构与电路的一
体化制作。此外，振动式陀螺的检测质量需要通过
支撑梁与基座相连，由此会带来各种噪声及振动的
非线性；同时，为了保证一定的灵敏度和测量带
宽，需要使陀螺的驱动模态与检测模态适当匹配；
另外，由于目前硅微机械加工工艺的局限性，存在
检测质量薄、一次成型、应力难消除等缺陷，制约
了硅微机械陀螺仪性能的提高。
我们认为，提高振动陀螺尤其是硅微振动陀螺
的性能可以从以下几方面着手：
１）改进结构和工艺
硅加工工艺最大的缺点是只有二维加工能力，仅靠平面结构难以达到高性能。设计多层结构和混合结构是必然的发展趋势。例如，美国ＪＰＬ的四叶片陀螺，采用纯硅结构，其零偏稳定性为１。／ｈ一１０。／ｈ，后来将微加工的硅片和常规加工的金属棒通过精密组装技术组装在一起，有效提高了陀螺动量矩，实现了一个混合结构的微机械陀螺，该陀螺的零偏稳定性达到了０．１ｏ／ｈ一０．０１。／ｈ。测量精度提高了两个数量级（图１）。Ｌｉｔｔｏｎ公司采用四层硅片，同时在每层硅片上进行一定的准三维加工，最终再组装到一起。利用微加工工艺和微组装工艺实现一个多层硅片构成的微机械陀螺，预计可实现的精度为０．０１。／ｈ（图２），
（ｂ）ＪＰＬ混合结构陀螺
图ｌＪＰＬ的微机电陀螺
图２Ｌｉｔｔｏｎ公司的多层结构陀螺
ＳＯＧ（硅玻深刻蚀工艺）工艺是在玻璃基座上的体硅加工技术，具有工艺简单，加工应力小，加工厚度大等特点，也是目前国内普遍采用的加工工艺。其缺点是很难实现陀螺结构与电路的一体化制作。ＳＯｌ（绝缘层上硅工艺）工艺是在硅基座上的体硅加工技术，采用ＳＯＩ工艺，将有利于实现陀螺结构与电路的一体化制作，从而能降低噪声，提高测量精度。
２）温度稳定性控制
高性能的振动微陀螺要求有好的温度稳定性：包括零偏与标度因数的温度稳定性，对振动陀螺而言，其振动模态频率的温度稳定性及品质因数的温度稳定性也是很重要的技术指标。多年来，为实现振动式微陀螺的温度稳定性控制，国内外不少学者做了大量研究。研究工作主要集中于以下几方面：一是从硅微陀螺的结构、材料、工艺及电子元器件的匹配上提高敏感器件的温度稳定性，以提高陀螺精度；二是对陀螺仪输出进行误差特性分析、测试、建模与补偿；三是采取控制温度的方式使陀螺仪工作的环境温度维持恒定，保障陀螺仪硅结构体及驱动检测电路不受温度变化的影响，从而使陀螺仪零偏维持稳定，提高陀螺仪的稳定度。近年来，国内许多科研人员对陀螺温度模型的辨识以及软件的实时补偿做了许多工作。但由于目前国内硅微陀螺的重复性较差，因此补偿效果并不理想。２００９年，美国学者Ｓ．Ｈ．Ｌｅｅ和Ｎａｊ觚等人提出了低功耗的芯片级温控的方法，通过加热、控温和隔热等措
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