芯片級(jí)多軸集成微陀螺方案對(duì)比與發(fā)展趨勢(shì)分析

魏雯強(qiáng)，魯征浩，陳 方，申 沖，石云波，曹慧亮

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.蘇州大學(xué) 微納傳感技術(shù)研究中心，蘇州 215006；3.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200050）

微機(jī)械陀螺儀具有體積小、成本低、可靠性高、易于集成等特點(diǎn)[1,2]，被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中，例如在手機(jī)、游戲機(jī)和相機(jī)中。此外，在醫(yī)療、汽車、航空等領(lǐng)域，陀螺儀也占據(jù)了極大的消費(fèi)市場(chǎng)。近年來(lái)，人們對(duì)于微機(jī)械陀螺的研究主要集中在單軸陀螺，其往往只能確定某一個(gè)指定方向的角速率。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）工藝的進(jìn)步與成熟，單軸微機(jī)械陀螺儀的精度逐漸提高，零偏穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足導(dǎo)航級(jí)的應(yīng)用需求（零偏穩(wěn)定性<10°/h[3]）。但是由于單軸微機(jī)械陀螺儀僅能檢測(cè)到來(lái)自一個(gè)軸上的角速度，具有一定的局限性，因此多軸陀螺儀的研究成為了MEMS 陀螺儀的一個(gè)重要發(fā)展方向。

三軸陀螺儀由于其能探測(cè)三個(gè)不同方向的角速率，更加適用于對(duì)物體位置變換的探測(cè)，其通過(guò)解算三個(gè)不同空間方向上的角速度，能夠得到載體在三維空間的姿態(tài)和慣性運(yùn)動(dòng)，但很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)需要三個(gè)單軸陀螺正交排列以實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)軸向（X、Y、Z）角速率信息檢測(cè)[4,5]。而三個(gè)單軸陀螺正交擺放構(gòu)成的三軸陀螺陣列通常體積較大，因此，仍然需要進(jìn)一步研制體積小、重量輕、功耗低、集成度高、可批量化生產(chǎn)的單片三軸微機(jī)械陀螺儀。

本文歸納總結(jié)了三軸微機(jī)械陀螺的不同實(shí)現(xiàn)形式，并通過(guò)對(duì)比分析了不同實(shí)現(xiàn)形式的利弊和優(yōu)缺點(diǎn)。并在此基礎(chǔ)上提出一種單片三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)。最后，對(duì)單片三軸微機(jī)械陀螺儀的發(fā)展進(jìn)行了展望，力求為科研人員提供切實(shí)可行的研究思路。

1 芯片級(jí)多軸集成微陀螺研究現(xiàn)狀

隨著MEMS 加工工藝和陀螺設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，在三軸角速率信息獲取技術(shù)的牽引下，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)單片三軸微機(jī)械陀螺儀進(jìn)行了深入研究。常見(jiàn)的方法有三種（如圖1 所示）：三單軸陀螺正交集成法（圖1(a)）、單片單結(jié)構(gòu)三軸陀螺法（圖1(b)）及單片多結(jié)構(gòu)陀螺陣列法（圖1(c)）。

圖1 典型的三軸微機(jī)械陀螺集成形式Fig.1 Typical integrated form of three-axis MEMS gyroscope

1.1 三單軸陀螺正交集成研究現(xiàn)狀

單軸陀螺正交集成采用三個(gè)單軸陀螺進(jìn)行搭建，圖2[4]、圖3[5]分別為韓國(guó)亞洲大學(xué)（Korea Ajou University,KAU）及北京大學(xué)（Peking University,PKU）提出的三單軸陀螺正交擺放的圖片。

圖2 韓國(guó)亞洲大學(xué)提出的三單軸陀螺正交集成圖Fig.2 Image of orthogonal arrangement of three uniaxial gyroscopes proposed by Korea Ajou University

圖3 北京大學(xué)提出的三單軸陀螺正交擺放圖Fig.3 Image of orthogonal arrangement of three uniaxial gyroscopes proposed by Peking University

三單軸陀螺正交集成采用三個(gè)單軸陀螺進(jìn)行搭建，優(yōu)勢(shì)是陀螺結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單（均為單軸陀螺），主要問(wèn)題是集成化程度低，裝配誤差大，且系統(tǒng)體積較大。通常情況下，三個(gè)單軸陀螺采用相同的結(jié)構(gòu)形式以節(jié)省成本、提高成品率（只加工同一種陀螺即可），同時(shí)，采用中央處理芯片的形式將三個(gè)單軸陀螺的控制系統(tǒng)集中在一個(gè)數(shù)字芯片中處理，也可從一定程度上減小系統(tǒng)體積，降低系統(tǒng)成本。在單軸陀螺較為成熟且對(duì)系統(tǒng)體積要求不高的場(chǎng)合可以采用該方法。

1.2 單片單結(jié)構(gòu)三軸微機(jī)械陀螺儀

2013 年，芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University,Aalto）提出了一種單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)[6]。該結(jié)構(gòu)采用線振動(dòng)方式，硅結(jié)構(gòu)和玻璃基底鍵合形式，在高過(guò)載輸入時(shí)，電容梳齒出現(xiàn)了吸合，硅-玻璃鍵合界面出現(xiàn)了應(yīng)力造成的裂縫，可見(jiàn)線振動(dòng)工作方式的陀螺在高過(guò)載作用下容易發(fā)生失效問(wèn)題，文中并未對(duì)陀螺性能進(jìn)行測(cè)試。

英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)（Newcastle University,NCL）提出的環(huán)形單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)如圖4 所示[7,8]，該結(jié)構(gòu)的Z 軸檢測(cè)原理與環(huán)形陀螺完全一樣，通過(guò)平面內(nèi)驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)，利用面外的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)X 軸和Y 軸的角速率輸入，該結(jié)構(gòu)雖然從原理實(shí)現(xiàn)了單片三軸陀螺，但X 軸和Y 軸的運(yùn)動(dòng)幅值較小，軸間相互耦合較大。

圖4 英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)提出的環(huán)形單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of ring monolithic three-axis gyroscope proposed by Newcastle University

意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics,ST）提出了一種低功耗的單片三軸MEMS 陀螺儀[9-11]，并給其配備了三軸開(kāi)環(huán)的集成電路[11]，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。結(jié)構(gòu)采用質(zhì)量塊-梳齒結(jié)構(gòu)形式，一階模態(tài)為驅(qū)動(dòng)模態(tài)，二階模態(tài)為面內(nèi)的檢測(cè)模態(tài)（航向角速率方向），兩個(gè)面外運(yùn)動(dòng)的模態(tài)為俯仰角速率方向和橫滾角速率檢測(cè)方向，模態(tài)諧振頻率為 20 kHz。結(jié)構(gòu)尺寸為3.2 mm×3.2 mm，噪聲水平小于，量程為2000°/s。

圖5 意法半導(dǎo)體公司提出的單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of monolithic three-axis gyroscope proposed by STMicroelectronics

韓國(guó)技術(shù)教育大學(xué)（Korea University of Technology and Education,KUTE）提出了一種線振動(dòng)形式的單片三軸微機(jī)械陀螺儀[12]，如圖6 所示，其結(jié)構(gòu)尺寸為1.4 mm×1.4 mm，量程為1500°/s，橫滾、俯仰和偏航角三個(gè)軸向的 標(biāo)度因數(shù)分別 為 12.56 μV/°/s、17.13 μV/°/s 和25.79 μV/°/s，結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率為13892 Hz，橫滾、俯仰和偏航角速率模態(tài)諧振頻率分別為16404 Hz，16214 Hz 和15398 Hz。

圖6 韓國(guó)技術(shù)教育大學(xué)提出的單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of monolithic three-axis gyroscope proposed by Korea University of Technology and Education

美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校（University of California,Irvine,UCI）提出了兩種角振動(dòng)形式的單片三軸微機(jī)械陀螺儀[13,14]，其結(jié)構(gòu)如圖7 所示，驅(qū)動(dòng)模態(tài)和Z 軸速率檢測(cè)模態(tài)為面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，X 軸和Y 軸角速率檢測(cè)模態(tài)為面外運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)一（圖7(a)）尺寸為1.49 mm×0.8 mm，X 軸、Y 軸和Z 軸三個(gè)軸向的標(biāo)度因數(shù)為0.12 μV/°/s、0.09 μV/°/s 和0.3 μV/°/s，結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率為67410 Hz，X 軸、Y 軸和Z 軸檢測(cè)模態(tài)諧振頻率分別為63260 Hz，63430 Hz 和65000 Hz[13]。

圖7 美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校提出的兩種單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.7 Two structures of monolithic three-axis gyroscope proposed by University of California,Irvine

美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校（University of California,Davis,UCD）提出了一種四質(zhì)量塊線振動(dòng)形式的單片三軸微機(jī)械陀螺儀[15]，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示，結(jié)構(gòu)厚度22.2 μm，面積3.2 mm×3.2 mm，X 軸、Y 軸和Z 軸三個(gè)軸向的標(biāo)度因數(shù)為 28.5 μV/°/s、57.8 μV/°/s 和19.4 μV/°/s，結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率為27964 Hz，X 軸、Y 軸和Z 軸檢測(cè)模態(tài)諧振頻率分別為25901 Hz，27115 Hz 和30559 Hz。X 軸、Y 軸和Z 軸零偏穩(wěn)定性為0.016°/s，0.004°/s 和0.043°/s。

圖8 美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校提出的單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of monolithic three-axis gyroscope proposed by University of California,Davis

美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology,GIT）提出了一種四質(zhì)量塊的單片三軸微機(jī)械陀螺[16]，如圖9 所示，面積1.428 mm×1.428 mm，X軸、Y 軸和Z 軸三個(gè)軸向的標(biāo)度因數(shù)為1.4 pA/°/s、1.2 pA/°/s 和30.5 pA/°/s，結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模態(tài)、X 軸、Y 軸和 Z 軸檢測(cè)模態(tài)諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為138058 Hz、139140 Hz、139048 Hz 和138043 Hz，3910、1181、1360 和505。X 軸、Y 軸和Z 軸零偏穩(wěn)定性和角度隨機(jī)游走分別為0.226°/s，0.166°/s 和0.041°/s，和

圖9 美國(guó)佐治亞理工學(xué)院提出的單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of monolithic three-axis gyroscope proposed by Georgia Institute of Technology

意大利比薩大學(xué)（University of Pisa,Unipi）開(kāi)發(fā)了一種由八塊板塊對(duì)稱分布的單片三軸微機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)[17]，如圖10 所示，其噪聲密度為0.1°/s，該陀螺儀采用了模擬電路CDMA 接口，使得硅片面積減少了24%。

圖10 意大利比薩大學(xué)的單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of monolithic three-axis gyroscope proposed by University of Pisa

韓國(guó)蔚山大學(xué)（University of Ulsan,UOU）提出的三軸陀螺結(jié)構(gòu)如圖11[18]，結(jié)構(gòu)尺寸2 mm×2 mm，驅(qū)動(dòng)模態(tài)和Z 軸、X 軸及Y 軸諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為：16.9 kHz、17.04 kHz、和16.47 kHz，720、3922 和4370。

圖11 韓國(guó)Ulsan 大學(xué)的單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of monolithic three-axis gyroscope proposed by University of Ulsan

國(guó)內(nèi)臺(tái)灣國(guó)立成功大學(xué)（National Cheng Kung University,NCKU）提出了一種單片集成三軸微機(jī)械陀螺儀，如圖12 所示[19]，X 軸、Y 軸和Z 軸陀螺的標(biāo)度因數(shù)為50.4 μV/°/s，60.3 μV/°/s 和71.2 μV/°/s。噪聲特性為和三軸間的耦合為22%、9%和1.84%信噪比為59.3、13.8 和140.1。陀螺結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率為9.867 kHz，檢測(cè)模態(tài)諧振頻率為11.209 kHz、11.927 kHz 和11.790 kHz。

圖12 國(guó)立成功大學(xué)提出的單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure of monolithic three-axis gyroscope proposed by National Cheng Kung University

東南大學(xué)（SouthEast University,SEU）首先提出了一種單片三軸陀螺[20]，隨后提出了一種單片三軸陀螺加三軸加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式[21]，如圖13 左側(cè)所示，采用四質(zhì)量塊分布的方式，驅(qū)動(dòng)模態(tài)、Z 軸、X 軸和Y軸檢測(cè)模態(tài)諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為：6950 Hz、7054 Hz、7040 Hz 和7034 Hz，455、66、107 和109。結(jié)構(gòu)厚度 60 μm，錨點(diǎn)高度 15 μm，面積為10 mm×10 mm。結(jié)構(gòu)通過(guò)仿真得到Z 軸機(jī)械靈敏度為0.159 nm/°/s，X 軸、Y 軸的機(jī)械靈敏度為0.142 nm/°/s，軸間耦合誤差為5.6×10-3nm/°/s 和2.4×10-3nm/°/s。隨后，東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的單片角振動(dòng)形式的陀螺結(jié)構(gòu)[22]，如圖13 右側(cè)所示。經(jīng)過(guò)仿真可知：驅(qū)動(dòng)模態(tài)、Z 軸、Y 軸和X 軸檢測(cè)模態(tài)的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為：8001.1 Hz、8002.6 Hz、8002.8 Hz 和8003.3 Hz，2000、500、1000 和1000。Z 軸、Y 軸和X軸的電容靈敏度為1.89×10-16F/°/s 和2.44×10-16F/°/s，非線性度分別為0.17%和0.13%，布朗噪聲情況為和

圖13 東南大學(xué)提出的單片三軸線振動(dòng)與單片三軸角振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)Fig.13 Structure of monolithic three-axis linear vibration and angular vibration gyroscope proposed by Southeast University

合肥工業(yè)大學(xué)（Hefei University of Technology,HFUT）設(shè)計(jì)了一款單片集成三軸陀螺儀[23,24]，如圖14所示。仿真結(jié)果顯示其驅(qū)動(dòng)模態(tài)、Z 軸和X 軸、Y 軸檢測(cè)模態(tài)諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為57.345 kHz、57.82 kHz 和57.3 kHz，9826、9834 和348，Z 軸和X軸、Y 軸檢測(cè)靈敏度分別為30.2fF/°/s 和38.5fF/°/s。

圖14 合肥工業(yè)大學(xué)提出的單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.14 Structure of monolithic three-axis gyroscope proposed by Hefei University of Technology

北京航天控制儀器研究所（Beijing Institute of Aerospace Control Devices,BIACD）提出的單片三軸陀螺[25]，如圖15，其X 軸、Y 軸和Z 軸零偏穩(wěn)定性分別為53.4°/h，70.8°/h 和18.4°/h。非線性度指標(biāo)分別為0.0159%、0.033%和0.0218%，驅(qū)動(dòng)模態(tài)、X 軸、Y 軸和Z 軸檢測(cè)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)和諧振頻率分別為3142、845、564 和2746，8798 Hz、8470 Hz、8450 Hz 和8258 Hz，表頭尺寸為11.4 mm×11.4 mm×2.0 mm。

圖15 北京航天控制儀器研究所提出的單片三軸陀螺結(jié)構(gòu)Fig.15 Structure of monolithic three-axis gyroscope proposed by Beijing Institute of Aerospace Control Devices

1.3 單片多結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺陣列

單片多結(jié)構(gòu)陀螺陣列由多個(gè)單（雙）軸陀螺結(jié)構(gòu)芯片集成。德國(guó)微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（Hahn-Schickard-Gesellschaft Institute of Microsystems and Information Technology,HSG-IMIT）提出了一種7.5 mm×7.5 mm 的三軸陀螺陣列[26]，該形式依托了兩種結(jié)構(gòu)形式，分別能夠敏感X 軸、Y 軸和Z 軸角速率，三個(gè)陀螺結(jié)構(gòu)各自獨(dú)立，分布在一個(gè)平面內(nèi)，如圖16所示。X 軸、Y 軸和Z 軸陀螺的帶寬均為50 Hz，非線性度分別為≤0.2%、≤0.2%和≤0.1%，噪聲分別為＜0.45°/s、＜0.45°/s 和＜0.2°/s。

圖16 德國(guó)微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所提出的三軸陀螺陣列Fig.16 Three-axis gyro array proposed by Hahn-Schickard-Gesellschaft Institute of Microsystems and Information Technology

意大利米蘭理工學(xué)院（Polytechnic University of Milan,POLIMI）提出了一種三軸陀螺陣列[27]，主要由兩種陀螺結(jié)構(gòu)組成，分別是Z 軸敏感陀螺如圖17 左側(cè)和X 軸、Y 軸敏感陀螺如圖17 右側(cè)，其中Z 軸敏感結(jié)構(gòu)尺寸為0.93 mm×0.93 mm，X 軸、Y 軸敏感結(jié)構(gòu)尺寸為1.40 mm×0.83 mm。模態(tài)諧振頻率為25 kHz，頻差100 Hz，結(jié)構(gòu)采用真空封裝，真空度可達(dá)0.7 mbar。量程可達(dá)±2000°/s，噪聲為

圖17 米蘭理工的三軸陀螺陣列Fig.17 Three-axis gyro array proposed by Polytechnic University of Milan

新加坡科學(xué)技術(shù)研究所（Agency for Science,Technology and Research,Singapore,ASTR）提出了一種三軸陀螺與三軸加速度計(jì)的組合傳感器陣列，其中X軸、Y 軸陀螺采用角振動(dòng)形式，Z 軸陀螺采用了線振動(dòng)形式，其結(jié)構(gòu)如圖18 所示[28]。陀螺三個(gè)軸量程均為1000°/s，X 軸、Y 軸和Z 軸標(biāo)度因數(shù)、非線性度、零偏穩(wěn)定性和角度隨機(jī)游走分別為：5.01 LSB/°/s、5.09 LSB/°/s 和12.91 LSB/°/s，0.2%、0.8%和0.6%，0.07°/s，0.04°/s 和0.03°/s，，和，結(jié)構(gòu)尺寸為2.0 mm×2.0 mm×0.5 mm。

圖18 新加坡科學(xué)技術(shù)研究所提出的三軸陀螺陣列結(jié)構(gòu)Fig.18 Three-axis gyro array proposed by Agency for Science,Technology and Research,Singapore

美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校（University of California,Irvine,UCI）提出了一種折疊式的三軸陀螺與三軸加速度計(jì)的微機(jī)械陣列，主要采用了微裝配的方式[29-31]，如圖19 所示。陀螺結(jié)構(gòu)采用了單軸方式，包括環(huán)形和線振動(dòng)形式，折疊的總體形狀也提出了正六面體和金字塔形狀兩種。集成電路可配置在折疊形狀的中心空間，并不破壞外部形狀和配置。經(jīng)過(guò)測(cè)試，用于裝配的環(huán)形陀螺（結(jié)構(gòu)直徑2.8 mm）和線振動(dòng)陀螺（結(jié)構(gòu)面積3.1 mm×3.1 mm）標(biāo)度因數(shù)、角度隨機(jī)游走、零偏穩(wěn)定性和正交誤差分別為：1.1 mV/°/s 和1.94 mV/°/s，和，17°/h 和1.3°/h，237°/s 和404°/s。

圖19 加州大學(xué)爾灣分校提出的三軸陀螺陣列折疊結(jié)構(gòu)Fig.19 Folding structure of three-axis gyroscope array proposed by University of California,Irvine

俄羅斯國(guó)立托姆斯克理工大學(xué)（National Research Tomsk Polytechnic University,NRTPU）提出一種多慣性傳感器陣列，如圖20 所示[32]。其驅(qū)動(dòng)模態(tài)（諧振頻率10060 Hz），Z 軸檢測(cè)模態(tài)（面外運(yùn)動(dòng)諧振頻率10100 Hz），X 軸、Y 軸檢測(cè)模態(tài)（面內(nèi)運(yùn)動(dòng)諧振頻率10017 Hz），結(jié)構(gòu)采用梳齒-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，梳齒間距5 μm，結(jié)構(gòu)尺寸為3.80 mm×3.80 mm×0.04 mm。

圖20 俄羅斯國(guó)立托姆斯克理工大學(xué)的三軸陀螺陣列結(jié)構(gòu)Fig.20 Structure of three-axis gyroscope array proposed by National Research Tomsk Polytechnic University

國(guó)內(nèi)外對(duì)三軸微機(jī)械陀螺儀的研究情況匯總?cè)绫? 所示。表中對(duì)前述單位報(bào)道的有關(guān)三軸微機(jī)械陀螺的尺寸參數(shù)、機(jī)械特性參數(shù)、性能指標(biāo)等內(nèi)容做了較為詳細(xì)的橫向比較。從表1 中可知，單結(jié)構(gòu)在平面尺寸方面優(yōu)勢(shì)較為明顯，陀螺諧振頻率的范圍從6 kHz 到140 kHz 分布不等。測(cè)試結(jié)果顯示：采用陣列形式的陀螺的驅(qū)動(dòng)-檢測(cè)模態(tài)頻差遠(yuǎn)小于采用單結(jié)構(gòu)形式的三軸陀螺（如頻差為40 Hz 左右[32]，單結(jié)構(gòu)三軸陀螺頻差在數(shù)百Hz 以上），這說(shuō)明陣列式的三軸陀螺機(jī)械靈敏度（標(biāo)度因數(shù)指標(biāo)）優(yōu)于單片三軸陀螺，表1 中標(biāo)度因數(shù)指標(biāo)也證明了此現(xiàn)象。在精度方面，陣列式三軸陀螺較單片三軸陀螺的角度隨機(jī)游走指標(biāo)能夠達(dá)到較高精度，陣列式三軸陀螺的零偏穩(wěn)定性指標(biāo)也明顯優(yōu)于單片三軸式陀螺結(jié)構(gòu)。同時(shí)，雖然對(duì)于軸間耦合、正交誤差等方面內(nèi)容缺少橫向比較數(shù)據(jù)，但從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和加工難度等方面來(lái)推斷，陣列式結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)于單片三軸結(jié)構(gòu)。此外，在陀螺可靠性方面，由于單結(jié)構(gòu)形式的三軸陀螺結(jié)構(gòu)是整體設(shè)計(jì)，若某結(jié)構(gòu)（如支撐梁）發(fā)生斷裂則會(huì)導(dǎo)致三個(gè)軸向的陀螺均會(huì)失效，而陣列式結(jié)構(gòu)中若某梁斷裂則會(huì)導(dǎo)致某一軸或某兩軸陀螺失效，其余的結(jié)構(gòu)個(gè)體則可以正常工作，這使得陣列式的可靠性或優(yōu)于單結(jié)構(gòu)形式三軸陀螺。

表1 三軸微機(jī)械陀螺研究代表性參數(shù)匯總Tab.1 Three-axis MEMS gyroscopes research representative parameters summary

通過(guò)對(duì)上述三軸微機(jī)械陀螺的分析及總結(jié)，可以看出，盡管三種方法都能實(shí)現(xiàn)三軸陀螺功能，但三種方法各有利弊，本文將相關(guān)比較匯總?cè)绫? 所示：“三單軸陀螺正交集成法”和“單片單結(jié)構(gòu)三軸陀螺法”兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)基本上是互補(bǔ)的，而“單片多結(jié)構(gòu)陀螺陣列法”采用了簡(jiǎn)單陀螺結(jié)構(gòu)平面整體擺放和同時(shí)加工的方式，利用成熟結(jié)構(gòu)和成熟工藝解決問(wèn)題，兼顧了“三單軸陀螺正交集成法”的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工、可靠性高、解耦簡(jiǎn)單、精度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也滿足了“單片單結(jié)構(gòu)三軸陀螺法”的體積小、成本低、防護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn)。

表2 三軸微機(jī)械陀螺集成方法比較Tab.2 Comparison of integration methods for three-axis micromachined gyroscopes

2 單片三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)

在充分調(diào)研與分析文獻(xiàn)后，本研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了一種新嵌套三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)[33]，該陀螺儀由相互獨(dú)立的兩部分組成，最外層為環(huán)形結(jié)構(gòu)用于檢測(cè)Z 軸角速率，中間為輪式結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為Y 軸檢測(cè)框架（做XOY 面外運(yùn)動(dòng)，繞OX 軸扭擺，用于檢測(cè)Y 軸輸入角速率）、Y-驅(qū)動(dòng)撓性接頭（用于支撐內(nèi)框架）、輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)框架（中圓柱殼形框架，通過(guò)四個(gè)支撐梁與四個(gè)全對(duì)稱的錨點(diǎn)相連，用于支撐整體結(jié)構(gòu)）、X-驅(qū)動(dòng)撓性接頭（用于支撐外框架）和X 軸檢測(cè)框架（做XOY 面外運(yùn)動(dòng)，繞OY 軸扭擺，用于檢測(cè)X 軸輸入角速率）。陀螺結(jié)構(gòu)如圖21 所示。

圖21 單片三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)形式示意圖Fig.21 Schematic diagram of the structure of a monolithic three-axis wheel-ring gyro

利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)以及抗沖擊能力仿真分析，其工作模態(tài)示意圖如圖22 所示，其X 軸、Y軸驅(qū)動(dòng)模態(tài)、X 軸、Y 軸檢測(cè)模態(tài)的頻率分別為：5954.8 Hz、5774.5 Hz、5774.5 Hz、Z 軸驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)模態(tài)頻率為10728 Hz、10725 Hz。該結(jié)構(gòu)在20000g沖擊時(shí)的應(yīng)力云圖如圖 23 所示，其最大應(yīng)力為313.7 MPa，遠(yuǎn)低于硅的許用應(yīng)力，以上仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有頻差小、抗沖擊能力強(qiáng)的特性。

圖22 單片三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)工作模態(tài)示意圖Fig.22 Schematic diagram of the working mode of a monolithic

圖23 20000 g 沖擊作用下應(yīng)力云圖Fig.23 Stress cloud diagram under 20000 g shock

3 結(jié)論與展望

本文分析了三軸微機(jī)械陀螺儀的最新研究進(jìn)展。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和歸納總結(jié)，目前主要通過(guò)三種方法實(shí)現(xiàn)微機(jī)械陀螺儀三個(gè)軸向角速率的測(cè)量：“三單軸陀螺正交集成法”、“單片單結(jié)構(gòu)三軸陀螺法”和“單片多結(jié)構(gòu)陀螺陣列法”。其中：“三單軸陀螺正交集成法”是目前應(yīng)用較多的方法，對(duì)該方案的研究已屬于工程問(wèn)題，該方法主要依托三個(gè)單軸陀螺正交擺放實(shí)現(xiàn)，其性能由單個(gè)陀螺決定，能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度，但在體積、裝配誤差、封裝和加工成本等方面，該方法的劣勢(shì)較為明顯。

“單片單結(jié)構(gòu)三軸陀螺法”是當(dāng)前各單位的研究熱點(diǎn)，主要涵蓋了新結(jié)構(gòu)形式、新工藝方法、新集成電路等方面的研究。該方法的體積最小，集成度最高，封裝和加工成本也最低。但以目前的加工技術(shù)水平來(lái)看，該方法結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜導(dǎo)致加工難度較大，成品率較低，一致性差，且由于振動(dòng)形式較為復(fù)雜，后期在信號(hào)解耦、多結(jié)構(gòu)控制方面困難較多，在短時(shí)期內(nèi)很難走向量產(chǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域。

“單片多結(jié)構(gòu)陀螺陣列法”是在目前加工技術(shù)的基礎(chǔ)上較為切實(shí)可行的折中方案，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低使得加工較為簡(jiǎn)單能夠保證成品率，采用平面集成方案可大大減小體積提高了集成度。由于結(jié)構(gòu)較小，集成度較高，其封裝成本也較低。

在上述基礎(chǔ)上，比較不同研究單位的三軸陀螺參數(shù)性能可得，采用“單片多結(jié)構(gòu)陀螺陣列法”的工程樣機(jī)將逐漸取代“三單軸陀螺正交集成法”的三軸陀螺系統(tǒng)成為主流。而“單片單結(jié)構(gòu)三軸陀螺法”是未來(lái)三軸陀螺的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步地提出一種單片三軸輪環(huán)式陀螺結(jié)構(gòu)，并對(duì)其工作模態(tài)以及抗沖擊能力進(jìn)行了仿真。

在后續(xù)對(duì)陀螺結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步探究中，可以從以下幾點(diǎn)入手：

1）由于陀螺加工中存在的技術(shù)限制與制造問(wèn)題，陀螺樣機(jī)中往往會(huì)存在正交誤差、頻率裂解的情況，從而對(duì)陀螺的性能造成不利影響，因此，需要進(jìn)一步采取相應(yīng)的措施，如剛度調(diào)諧，來(lái)減小這些負(fù)面影響。

2）為了提高陀螺的可靠性，可在后續(xù)的設(shè)計(jì)中通過(guò)有限元仿真軟件結(jié)合對(duì)應(yīng)力學(xué)公式，探究新的結(jié)構(gòu)形式，令陀螺結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)良的抗沖擊性能。