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硅微振动陀螺仪设计与性能测试贾方秀;裘安萍;施芹;苏岩【摘要】介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测.利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构.为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空封装技术实现了器件级真空封装,并消除了轴向加速度等共模干扰的影响.陀螺电路采用自激闭环驱动、开环检测的方式,简化了电路.为了降低环境温度对陀螺零偏的影响,研究了既定范围内陀螺的输出特性,建立了陀螺输出与温度之间的关系模型,设计了温度补偿电路,降低了陀螺整表的功耗和体积.对采用上述技术的硅微陀螺仪进行了性能测试,测试结果表明,陀螺Q值＞100 000,量程为±500(°)/s,标度为21.453 mV·(°)-1s-1,非线性和对称性分别为36.905×10-6和184.125×10-6.常温下陀螺零偏稳定性为7.714 3(°)/h,带宽为100 Hz,整表体积为31mm×31mm×12mm,功耗为288 mW.该陀螺仪性能好、体积小、功耗低,在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2013(021)005【总页数】10页(P1272-1281)【关键词】硅微振动陀螺仪;真空封装;自激驱动;温度补偿【作者】贾方秀;裘安萍;施芹;苏岩【作者单位】南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094;南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094;南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094;南京理工大学MEMS惯性技术研究中心,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】V241.5;V666.1231 引言硅微机械陀螺是一种（Micro-Electro-Mechanical Systems）MEMS传感器，具有微型化、智能化、多功能集成化和适于批量生产等优点。
第３１卷 第６期２００８年１２月电子器件Chines e Journal Of Ele ctr on Devi ce sVol ．３１ No ．６Dec ．２００８Re s e arc h o n Th e r m al C h ara c t e ri s ti c of Z －In p u t S ili c o n Mic ro m a c h in e d G yro s c o p e＊C H E N S hu －lin g ，Y A N G Bo ，W A NG S hou －rong＊（S chool o f Instr umentat ion S ci ence and E ngineer in g ，Southeast Univ ersi t y ，N an j ing ２１００９６，China ）Ab s tra ct ：Silicon micromachined gyroscope is a kind of angular －rate －sensor developed in recent years ，which has smaller size ，lighter weight and lower cost than t raditional rate －sensors ．Temperature variation is one of the main errors for SMG ．The thermal characteristic of SMG was analyzed ，two gyroscopes of different Q －value were chosen and tested while the temperature ranged from －４０℃to ８０℃．The influence on the features of SMG owning to temperature change is construed ．The experiment result shows that the resonant frequency of the gyroscope de －creases linearly along with the temperature increment ；the vacuum degree of the hermetic gyroscope imposes dis －tinct influence on the mechanical factor of the gyroscope when temperature varies ．Ke y w ord s ：silicon micromachined gyroscope （SM G ）；thermal characteristic EEACC ：７６３０Z 轴硅微机械陀螺仪温度特性研究＊陈淑铃，杨 波，王寿荣＊（东南大学仪器科学与工程学院，南京２１００９６）收稿日期：２００８－０３－３１基金项目：总装备部“十一五”预研课题资助项目（６９２２００２０５５）作者简介：陈淑铃（１９８５－），硕士研究生，从事硅微机械陀螺仪温度控制，chenshuling ３１８＠１２６．com ；杨 波，博士，主要从事硅微陀螺仪测控线路；王寿荣，教授，博士生导师，srwang ＠seu ．edu ．cn ．摘 要：硅陀螺仪是近年来发展起来的一种新型角速度传感器，温度变化是其主要误差源之一。
The S en sitivity Study of an Angular VibratoryMicrome chanical Gyro s cope Driven by the Inner FrameF A NY u e-m i n g1,2,M A O Pan-s o n g21.D e pa rt m e nt o f In fo r matio n e n g in e er in g,N an jin g U n i v er s it y of Po st s an d T e le c o m m u n ic atio n,N an jin g210003,C h ina2.D e pa rt m e nt o f E le ctr o n ic e n gi n e e r in g,S o u th e ast U ni v e r sit y,N an ji n g210096,C h in a()Ab stra ct: T hi s pa pe r de v el o p s d y na m ic a n d s en sit i ve eq u ati o n s o f a n g ula r v i br at or y m ic r o m e ch an ic al g yr o s c o p e w ith d u-al-g i m b al dri v en b y t he i n ne r g i m bal f r a m e,a n d pr ese nt s t w o s i m p le an d f ea si ble m et h o d s t o e n ha nc e t he g yr o sc o pe’s sen s iti v it y.T he f re q ue nc y o f t he i n ne r g i m bal f ra m e an d th e nat ur al f r eq u en c y o f th e o ute r g i m bal f ra m e a re e q ual.T h e dri v en si g n al co n si sts o f t w o s in e-w a v es an d th eir fr e q ue ncies a r e s ele cted t o eq u al t o th e nat ur al f re q ue nc y o f in n e r an d o ute r f r a m e.in de si g ni n g g yr o s co pe s y ste m.Ke y w ord s: 7630m icr o m e ch an ic al g y ro sc o p e;d o u b le g i m b als;se n siti v it yEEACC:内框驱动式硅微型角振动陀螺仪灵敏度研究①方玉明1、2,茅盘松21.南京邮电学院信息工程系,南京210003;2.东南大学电子工程系,南京210096.()摘要:建立了内框驱动式硅微型角振动陀螺仪的运动方程,导出了灵敏度方程,提出了提高陀螺系统灵敏度的简单可行的方法,即:设计制造陀螺仪时,使内外框架固有频率相等,或驱动信号采用二个正弦波之和,二个正弦波的频率应选为框架的固有频率。
微机械MEMS陀螺仪原理和几大公司的基本工艺流程微机械MEMS陀螺仪是一种利用微纳技术制造的陀螺仪。
其基本原理是利用陀螺效应来检测和测量振动、旋转以及角速度等物理量。
微机械MEMS陀螺仪的工艺流程一般包括硅的制备、微影技术、湿法腐蚀、金属薄膜的制备以及封装等。
微机械MEMS陀螺仪的原理和工作方式基于陀螺效应，其核心部分通常是一个微小的旋转结构。
当这个旋转结构受到外部力矩的作用时，将产生一个旋转角速度。
通过检测和测量这个旋转角速度，就可以得知外部施加力矩的大小和方向。
1.硅的制备：首先，通过高纯度多晶硅或单晶硅材料，使用工艺将硅片制备成所需形状和尺寸的基片。
2.微影技术：利用光刻和蚀刻技术，在硅片上生长一层光阻，然后使用掩膜模板的光刻技术，将光刻胶上的图形进行曝光。
3.湿法腐蚀：在曝光后，使用湿法腐蚀技术，通过将硅片置于腐蚀液中，蚀刻出所需形状和尺寸的结构。
4.金属薄膜的制备：通过物理蒸镀或化学气相沉积技术，制备出金属薄膜，这些薄膜将用于连接和测量。
5.封装：将微机械MEMS陀螺仪芯片封装在一个保护壳中，以保护其免受外部环境的影响。
几大公司在微机械MEMS陀螺仪的工艺流程上可能会有一些差异，但总体上都遵循以上的基本工艺流程。
以下是几大公司在微机械MEMS陀螺仪制造方面的一些特点和工艺流程：1.爱普生公司：爱普生公司是微机械MEMS陀螺仪的领先制造商之一、其工艺流程中使用了多晶硅的刻蚀技术，可以实现高度的几何精度和结构控制。
2. 微想公司：微想公司的工艺流程中使用了表面微机电系统（Surface Micro-machining）技术，可以制备出非常小的结构，具有高精度和高稳定性。
3.STM公司：STM公司通过使用特殊的材料和非常精密的加工工艺，使得其微机械MEMS陀螺仪具有极高的精度和快速响应性能。
总结起来，微机械MEMS陀螺仪的原理是利用陀螺效应来测量角速度和旋转的物理量，其工艺流程包括硅的制备、微影技术、湿法腐蚀、金属薄膜的制备和封装等步骤。
那么什么是三轴陀螺仪呢？简单的说来就是3D版的重力感应，iPhone 4现在除了可以感应手机左右的晃动以外还能感受到前后的倾斜，这对于未来游戏或者软件的设计来说又提出了新的概念，我们希望在未来能够看见更多的基于陀螺仪的应用。
mems陀螺仪即硅微机电陀螺仪，绝大多数的MEMS陀螺仪依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。
陀螺仪：最后，iPhone 4首次加入了新感应器三轴陀螺仪，保留了方向感应器、距离感应器和光线感应器，可以被更多的应用程序应用。
基于MEMS的加速传感器、陀螺仪、指南针、压力传感器、麦克风正在成为Android 新版本中的指定标配ST推出一款业界独创、采用一个感应结构检测三条正交轴向运动的3轴数字陀螺仪L3G4200D。
这种创新的设计概念大幅提升运动控制式消费电子应用的控制精度和可靠性，为设备的用户界面实现前所未有的现场感。
现有的3轴陀螺仪解决方案依赖两个或三个独立的感应结构，顶多是在同一硅基片上；而意法半导体的陀螺仪则是三轴共用一个感应结构，这一突破性概念可以消除轴与轴之间的信号干扰，避免输出信号受到干扰信号的影响。
此外，这个创新的产品架构使意法半导体的工程师将传感器与ASIC接口整合在一个4x4x1mm 的超小封装内，解决现在和未来的消费电子应用的空间限制问题。
意法半导体的3轴数字陀螺仪让用户可以设定全部量程，量程范围从±250 dps 到±2000 dps，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于测量超快速的手势和运动。
这款器件提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能。
就算时间推移或温度变化，这款器件仍然保持连续稳定的输出。
内置数字输出的L3G4200D 3轴MEMS陀螺仪的设计和制造采用意法半导体销售量超过6亿支的运动传感器的制程技术。
mems陀螺仪原理
MEMS陀螺仪原理是一种传感技术，它通过测量外界恒定的重力加
速度来检测改变的方向。
MEMS陀螺仪的工作原理是：它利用硅芯片上
的微机电系统即MEMS结构来测量恒定的重力加速度，并在转轴上检测
转动惯性。
当受到重力加速度影响时，芯片上的结构会产生位移。
通
过对这种位移的测量，探测出物体的姿态。
具体而言，MEMS陀螺仪是一种微小的传感器，它包含一个硅芯片，上面有微小的加速度计和速度计。
加速度计用来测量围绕三个轴的重
力加速度，而速度计则用来测量转动惯性。
芯片上的微机电系统结构（MEMS）会把这些输入信号转换成数字信号，然后传输到内部的处理器，最后再被转换成角度和转速的信号。
另外，MEMS陀螺仪的准确度是通过抗干扰技术来实现的。
它使用
不同类型的传感器，比如加速度计和速度计，来实现高精度和高稳定性。
此外，它也使用一系列的电子电路来过滤干扰，这样就可以准确
地测量物体的姿态。
总之，MEMS陀螺仪的原理是测量围绕三个轴的重力加速度，进而
测量物体的姿态，达到控制和定位的目的。
它使用MEMS结构和电子电
路来实现高精度和高稳定性，以及抗干扰功能，这使它成为了目前应
用最广泛的传感器之一。
MEMS陀螺仪的选用要求一、MEMS陀螺仪简介MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是指集机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。
微惯性器件和微惯性测量组合技术的发展，导致新一代陀螺仪包括硅微机械陀螺仪、石英晶体微惯性仪表、微型光纤陀螺仪、微型光波导陀螺仪等产生和应用。
目前，硅微机械陀螺仪应用范围越来越广泛，包括航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
硅微机械陀螺仪是利用coriolis定理，将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA 技术、封装技术等批量生产的，它主要特点是1.体积小、重量轻，其边长都小于1mm，器件核心的重量仅为1.2mg。
2.成本低3.可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受1000g的冲击。
4.测量范围大，目前我公司生产的MEMS陀螺仪测量范围可扩展到7560º/s。
二、MEMS陀螺仪的选用陀螺仪在选用时，必须注意被测参数的物理环境和必要的性能指标。
具体要求分列如下：1.性能要求⑴.随机漂移、随机游走系数、输出噪声不同结构形式、不同原理的陀螺仪的对漂移率定义和要求不同，机械式陀螺仪精度使用的是随机漂移，光纤陀螺仪使用的随机游走系数。
随机漂移——指由随机的或不确定的有害力矩引起的漂移率。
随机游走系数——由白噪声产生的随时间累计的陀螺仪输出误差系数。
单位: º/h1/2、º/s1/2。
输出噪声的单位：º/h/Hz1/2、º/s /Hz1/2 。
输出噪声和随机游走系数的关系如下：1º/h/Hz1/2=1º/60×h1/21º/s /Hz1/2=1º/s1/2MEMS陀螺仪使用的输出噪声这个指标。
总第174期2008年第12期舰船电子工程Ship Electronic Enginee ring Vol.28No.1249 硅微陀螺仪数字化温度补偿系统的实现3顾广清 夏敦柱 李宏生 王寿荣(东南大学仪器科学与工程学院精密仪器及机械专业 南京 210096)摘 要 分析了温度影响陀螺零偏的机理,由温度实验得出硅微陀螺仪零偏与温度呈较复杂的非线性关系;根据实验数据拟合出零偏与温度在三个温度段内的数学表达式;设计了相应的温度补偿系统,该系统以新华龙C8051F363单片机为核心,根据实时测量的温度值经由拟合的多项式计算出各温度下的补偿值,将陀螺原始信号减去补偿值即可得到补偿后的陀螺信号。
经温控实验测定,在-40℃-80℃的范围内,补偿后陀螺零偏随温度变化的趋势项基本被消除,且陀螺零偏减小了一个数量级,补偿效果明显。
关键词 硅微陀螺;零偏;温度补偿;拟合中图分类号 TH824Realization of t he Digital Temperat ure Comp ensation Systemf or Silicon Micro 2machi ned GyroscopeGu Guangqi ng Xia D unz hu L i H ongsheng W ang Shourong(Depa rtment of Precisio n Instrument &Mecha nic s ,Sout hea st Unive rsity ,Nanjing 210096)Abs tra ct The influence of temperature variation on t he bia s of silicon micromachined gyroscope is analyzed ,a nd the n o nlinea r relation between t he bia s and t he temper ature is de rive d thro ugh temper ature e xpe riments.The mat h e xpressio ns of t he relations between bia s and te mper ature in three tempe rature segment s are f igured out adopting lea st square met h od in te rms of the data f rom experime nt s.Then ,a tempe rature compensation system using micro 2controlle r C8051F363is de 2signed.The gyro signal would be compensa te d by subtracting t he co mpensation value s which can be calculated through the exp ressions in terms of t he tempe rature values mea sured.The temperature experiment test s show tha t the influence of tem 2perature va riation on t he bias of silicon micro 2machined gyroscope is greatly eliminated and the bia s is reduced to one tenth of t he o riginal after compe nsation f ro m -40℃to 80℃.Ke y w ords silicon micro 2mac hined gyroscope ,bia s ,tempera ture compe nsation ,fitting Class N umber TH8241 引言硅微陀螺仪是一种用于测量物体运动角速度的新型惯性器件。
微硅陀螺CRS03
CRS03系列微硅陀螺（角速度传感器）是利用Coriolis效应的单轴固态速率陀螺，其采用硅素振动环状精密设计，而产生一正比于旋转速度的精确模拟直流电压输出。
测量范围±100°/sec, ±200°/sec, ±575°/sec
分辨率0.05°/sec（在0~10Hz）
线性度±0.5%FS Typical
比例因素20mv/deg/sec
供电电压5Vdc
零位范围 2.4~2.6Vdc
带宽大于10Hz
大于50Hz （±575°/sec）
起动时间600ms
重量25g
尺寸mm 29×29×18.4
温度﹣40℃~﹢85℃
冲击200G
特点：利用MEMS（微机械加工）的微型器械。
由于平面环状结构，因此受震动和冲击的影响很小。
用途：导航，平台稳定，汽车安全系统，遥控直升机，车装卫星天线设备，工业用，机器人，3D虚拟实境，船只电子磁针误差补偿有关倾斜（角速度）感应设备。
陕西航天长城科技有限公司
电话：（029）82501390，82533755 传真：（029）82501150。
硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪
硅微型振动陀螺仪在工作时，用微幅振动代替高速旋转
硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的工作原理：
结构图如图所示：
机械部分由基座，提供驱动力的定齿，动齿，活动质量和连接活动质量的弹簧，固定弹簧的固定端组成。
固定端和定齿都固定在基座上，活动质量由弹簧连接在固定端上。
动齿固定在活动质量上。
该陀螺仪采用静电驱动技术，给固定在基座上的定齿梳状电极上加载带直流偏执的交流电压，活动质量上的动齿接地。
这样动、静齿间便产生大小和方向周期性变化的静电吸引力，使整个活动质量和动齿一起在两定齿之间来回振动，此时若基座在惯性空间中作转动，由于哥氏力的作用，活动质量将在垂直于基座的方向上振动，这样就可敏感基座相对于惯性空间转动的角速度。
建坐标系：取将动作标系固连在硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的基座上，取动作标系的原点为活动质量质心的平衡位置，x轴为静电驱动力的方向，z轴为与基座垂直的方向，y轴由右手规则确定。
（1）只做x轴方向的转动时的结论：
1.该方向上的角速度不能测量；
2.随着静电引力的振动频率的增大，活动质量的振动的振幅会大大减小，该陀螺仪的灵敏度会降低。
3.x轴方向的角速度不能大于根号内K/m，否则陀螺仪将被损坏。
陀螺仪损坏的临界值随尺寸的降低而迅速增加。
（2）只做z轴方向的转动时的结论：不能测量该方向上的角速度。
（3）陀螺仪的基座在y轴方向的转动角速度近似地与活动质量在z轴方向的这一振动频率为ω的振动的振幅成正比。
比例系数为2δ/(mω3)
小结：该陀螺仪对y轴方向的角速度最敏感，即应当它作为输入量，把y轴作为输入轴。
而对其影响最强烈的是活动质量在z轴方向频率为ω的振动的振幅，它可以作为输出量。
而静
电引力的振动频率充分大时，该输出量与输入量接近于正比关系。
总结：1.单轴角速度计；2.y轴方向上的角速度旋转与z轴的某固定频率振动下的振幅成正比。
振动轮式微机械陀螺仪
振动轮式微机械陀螺仪的结构示意图如图
外框架由挠性轴与驱动轮连接,它相对于驱动轮只能作沿挠性轴方向(即y w方向)的转动,其转动角用φ来表示,，如图：
驱动轮由支柱与基座连接,它相对于基座只能作支柱方向(即Z b方向)的转动其转动角用θ来表示,如图
振动轮式微机械陀螺仪采用静电驱动技术,给固定在基座上的固定梳状电极上加载带直流偏置的交流电压,驱动轮上的动齿接地。
这样动、静齿间便产生大小周期性变化的静电吸力,使整个驱动轮绕其中心轴(即支柱)来回振动,并带动外框架一起振动,此时若基座相对惯性空间有一定角速度的转动,它将通过支柱和挠性轴给驱动轮和框架施加力矩,这样由于哥氏力矩的作用框架将相对于驱动轮作挠性轴方向的角振动。
通过测量这一角振动的幅度就可敏感基座相对惯性空间转动的角速度。
取基座坐标系与基座相固连,取支柱向上的方向为z b的正向,取挠性轴的平衡位置为基座y b 轴方向,而x b轴由右手规则确定。
（只能测量x轴方向的旋转角速度）
音叉式(梳状)线振动硅微陀螺仪
音叉式(梳状)线振动硅微陀螺仪的基本结构如图
它主要由两边驱动器、中间驱动器、检测质量和连接检测质量的挠性支撑组成。
两边驱动器和中间驱动器固定在基座上,检测质量由挠性支撑与框架连接在一起，再由挠性弹簧片与基座相连。
由于挠性支撑和挠性弹簧片的特殊结构使得检测质量只能做X轴方向的线运动
和沿Y轴方向的转动。
为增加驱动器的工作效率,在两边驱动器和中间驱动器上都加装了静齿,而在平板型的检测质量上加装了动齿。
当音叉式(梳状)线振动硅微陀螺仪工作时,给两边驱动器和中间驱动器的静齿上加载带直流偏置的交流电压,检测质量上的动齿接地。
这样在动、静齿之间便产生大小和方向做周期性变化的静电吸引力,使检测质量和动齿一起在两边驱动器和中间驱动器之间来回振动,并带动框架和挠性支撑等一起振动。
由于两边驱动器的静齿上的电位总是相同的,中间驱动器的静齿上的电位也总是与边驱动器的电位反向,所以两检测质量和其上的动齿总是做相向和相背的交替振动且关于Y轴总是对称的。
如果这时陀螺仪的基座在惯性空间中转动（在y 轴方向上），由于哥氏力的作用，两检测质量和其上的动齿将受到大小相等但方向相反的交变哥氏力。
从而使得检测质量、动齿和挠性支撑一起沿Y轴方向做角振动，如下图。
这时检测质量、动齿、框架和挠性支撑等将总是保持在同一个平面内。
这样就可以通过测量这一角振动的幅度来获得陀螺仪的基座在惯性空间中转动的信息。
Y轴为敏感轴，当陀螺仪只做y轴方向的转动,并且静电引力的振动频率充分大时，基座在惯性空间所做y轴方向的转动的角速度近似地与框架相对于基座在Y轴方向的转动角的运动中振动频率与静电引力的振动频率相同的振动的振幅成正比。
当音叉式(梳状)线振动硅微陀螺仪在惯性空间中只做y轴方向的匀速转动时,最能反映转动的角速度ωy的量,是框架相对于基座在Y k(即Y b)轴方向的转动角θ(t)的运动中振动频率
与静电引力的振动频率相同的振动部分。
当基座在惯性空间中只做在与陀螺仪的基座固连的动坐标系(基座坐标系)的y轴方向的转动,并且静电引力的振动频率充分大时,它在y轴方向的
转动的角速度近似地与框架相对于基座在Y k(即Y b)轴方向的转动角θ(t)的运动中振动频率
与静电引力的振动频率相同的振动的振幅成正比,比例系数为
2M x F
I x+I z Mω3。
