抗高过载硅基杯形谐振陀螺基础研究

The lose efficacy and performance degradation problems of MEMS gyroscope usually happen during high G-shock process. These problems seriously hamper the application of MEMS gyroscope in high G-shock environment. Regarding the issue above, this program proposes the Silicon Micro Cup Vibration Gyroscope (SMCVG). Three are three main advantages for SMCVG to resist the high G-shock: the structure deformation is small, which avoids the structure impacting when high G-shock loads; the phase of vibration mode can be utilized for detection, which changes less under the shock; the cup structure bottom surface is bonded to the basement and is firm enough for shock. The program constructs the anti-g design theory frame of SMCVG structure based on the lose efficacy mechanism and stress wave and inertial stress theory. The structure parameters are optimized by simulation, which makes SMCVG structure gain excellent anti-g capability. Also, this program realizes the manufacture of SMCVG structure which requires high aspect ratio and wall smoothness based on “sacrificial layer polycrystalline silicon growth method”. The parameters difference before and after shock are decreased by employing the “modes rotation” and “virtual Coriolis force” self-calibration methods. This program is expected to solve the lose efficacy and performance degradation problems of MEMS gyroscope in high G-shock environment based on the research above, and makes better foundation for MEMS gyroscope application.

微机械陀螺仪在经历高冲击过程中出现的失效和参数变化的问题严重阻碍了其在高过载领域的应用。针对上述问题，本项目提出了硅基杯形谐振陀螺，其在抗过载方面的优势主要体现在以下三方面：工作时只有杯口小幅度形变，避免了高冲击造成的机构碰撞；可采用相位检测方式，受冲击引起的振型平移作用的影响小；杯底与基底连接可靠，不易失效。通过揭示高过载失效机理，结合应力波和惯性力理论构建了硅杯结构抗高过载设计理论框架，并利用仿真优化结构参数，使硅杯结构自身具备了优良的抗过载能力。通过研究基于“牺牲层多晶硅生长法”的硅杯制造方法，实现高深宽比、高侧壁光滑度的硅杯结构的制备。通过探索基于“模态翻转”的陀螺结构自检测方法以及基于“虚拟哥氏力”的陀螺参数自标定和自补偿机理，以达到减小冲击前后陀螺参数差异的目的。通过上述研究内容，本课题有望从根本上解决高过载导致的陀螺失效和性能退化的问题，为其在高过载领域的应用打下基础。

本项目在充分调研国内外高过载微机械陀螺技术的基础上，针对微机械陀螺仪在经历高冲击过程中出现的失效和参数变化的问题，主要进行了以下四方面的研究：一是在微机械陀螺高过载失效机理及运动特性分析方面，搭建了陀螺运动方程并利用振型叠加法分析了陀螺的冲击响应；二是在抗高过载微机械陀螺结构设计和仿真方面，设计了具有双U形梁结构的MEMS陀螺及控制调谐电极和限位保护机构，通过有限元仿真优化了陀螺的主要参数，并且对最后尺寸的陀螺谐振子结构进行了模态仿真及谐响应仿真，仿真结果显示该陀螺结构设计合理；三是在陀螺结构加工方面，提出了基于高深宽比多晶硅结构加工方法并进行了验证，成功加工出了抗高过载陀螺结构；四是基于自标定和自补偿方法的陀螺参数自补偿方法。经过上述研究内容，本项目搭建了抗高过载微机械陀螺样机并进行了实际测试，依据微机械陀螺仪测试细则，测试了标度因数与零偏的相关参数，其中标度因数为6.028 mV/º/s，零偏稳定性为8.86º/h，角度随机游走为0.776º/h1/2。裸芯片在经历马歇特锤13 600g过载情况下，陀螺谐振结构完好，无明显损坏，并且在拉曼光谱应力测试系统下测试所选测试点的应力大小均小于硅材料的极限应力790MPa，支撑梁与中心锚点交点处的应力大于U形弹性梁的结合处和支撑梁与振环交点处的应力，与抗过载仿真结果一致。对于已经真空封装的陀螺样机，在高过载试验前后谐振频率最大变化值为4Hz，变化量为频差0.044%，证明了本项目研制的高过载陀螺具有良好的抗冲击性能。