MEMS陀螺儀工作原理及性能提升方法的綜述

MEMS陀螺儀是一種應用廣泛的新型微慣性傳感器，可實現高精度、小體積、抗干擾性強的角速度測量，被廣泛應用于航空航天、平臺鉆井、自動駕駛、可穿戴設備以及手機中。近年來，隨著對MEMS陀螺儀研究的不斷深入，許多新型MEMS陀螺儀的工作原理被提出，由于測量原理的不同，其性能差異往往很大。

據麥姆斯咨詢報道，針對該領域研究，西北工業大學的研究團隊進行了綜述分析，系統介紹了MEMS陀螺儀的工作原理，詳細討論了各種工作模式下MEMS陀螺儀的性能提升方法，分析了各類MEMS陀螺儀的發展趨勢，并結合各模式特性對MEMS陀螺儀的發展做出了展望。相關研究內容以“MEMS陀螺工作原理及其性能提升方法”為題發表在《導航定位與授時》期刊上。

MEMS陀螺儀基本原理

振動陀螺儀的動力學原理非常復雜，可以近似地看作是一個二自由度動力學模型。

圖1 MEMS陀螺儀動力學模型

MEMS陀螺儀的五個核心性能是零偏不穩定性、角度隨機游走、標度因子非線性度、量程、帶寬。各類不同等級的MEMS陀螺儀對應的性能指標如表1所示。

表1 各類等級MEMS陀螺儀性能指標

MEMS陀螺儀不同工作模式的實現與諧振子結構密切相關。根據IEEE STD 1431，MEMS諧振子可分為兩類，即Ⅰ類和Ⅱ類諧振子。Ⅰ類諧振子的模式是非簡并的，典型的例子是音叉諧振子；而Ⅱ類諧振子的兩個模式是簡并的，典型的例子是環形諧振子和微半球諧振子。通常來說，Ⅱ類諧振子的性能要優于Ⅰ類諧振子。該類諧振子適用于實現陀螺儀的全角模式和力平衡模式，同時該類諧振子也被廣泛用于正交調頻（QFM）、往復調頻（IFM）和全差分調頻等模式匹配的調頻（FM）陀螺儀。

典型的Ⅱ類諧振子結構包括環形諧振子、盤式諧振子、微半球諧振子等。微半球諧振子是近年來的熱門話題，它可用于實現高性能的力平衡和全角陀螺儀。與其它硅基的Ⅱ類諧振子相比，由于使用了內部損耗較低的熔融石英材料，微半球諧振子的品質因數可達5 M左右。此外，還有一種集總質量的Ⅱ類諧振子——四質量塊諧振子，可用于實現力平衡、全角和調頻操作。它繼承了音叉諧振子模態質量大和角度增益高的優點。同時，由于其高度對稱的結構，這種諧振子還具有很高的品質因數。如今，一些使用四質量諧振子的MEMS陀螺儀的性能已接近慣性級。

圖2 Ⅰ類諧振子（a ~ d）與Ⅱ類諧振子（e ~ i）

調幅模式

調幅模式是MEMS陀螺儀應用最廣泛的工作模式。傳統調幅工作模式通常也稱速率模式，主要有兩種情形，其一是開環模式。在該模式下，陀螺儀的驅動模態被控制至恒定的幅值，而檢測模態不施加激勵。當有角速度輸入時，陀螺儀的檢測模態會產生相應的敏感位移。其二是力平衡模式也稱閉環模式。力平衡模式最早由Boser等于1995年在加速度計上實現。與開環模式不同的是，力平衡陀螺儀通過對檢測電極施加實時的力來平衡由角速度引起的位移。在該模式下，陀螺儀驅動軸的位移被控制到恒定值，檢測軸的振幅被抑制到0。

開環陀螺儀和力平衡陀螺儀具有相同的誤差源，例如耦合剛度誤差、相位誤差以及耦合阻尼誤差等，這些誤差源以類似的方式影響著兩種陀螺儀的性能。為了解決這些問題，人們提出了多種方案，例如正交誤差抑制、模式匹配、相位誤差抑制等。

圖3 調幅陀螺儀相關工作

全角陀螺儀

全角陀螺儀具有許多優勢，首先它可以直接測量角度，從而消除了速率陀螺儀偏置誤差積分時所產生的航向誤差。其次，全角陀螺儀的比例因子穩定，對環境變化不敏感，因此具有高度穩定性。此外，全角陀螺儀具有無限帶寬的潛力，相比速率陀螺儀具有更寬的動態范圍。然而，全角陀螺儀對諧振子的工藝以及測控電路有很高的要求。目前，MEMS全角陀螺儀受許多誤差的影響，還未達到預期的性能。

圖4 全角陀螺儀工作原理及其代表工作

調頻陀螺儀

與調幅和全角陀螺儀不同，調頻陀螺儀通過哥氏效應引起的頻率變化實現角速度讀出。2002年，Seshia等在MEMS雙端音叉陀螺儀上首次實現了頻率讀出。此后，不同種類的調頻陀螺儀被提出，這類陀螺儀大多都具有比例因子穩定性好、溫度穩定性高以及帶寬高等優點。因此，近年來調頻陀螺儀受到了越來越多的關注。

圖5 調頻陀螺儀相關工作

研究展望

在MEMS諧振子層面：

（1）為了提高MEMS陀螺儀系統性能，必須增加系統中傳感器的緊湊性和冗余度，因此MEMS諧振子的微型化勢不可擋。對于微半球等高性能諧振子來說，它可以實現高精度的全角/力平衡操作，雖然其三維幾何形狀限制了其進一步應用，但這為新型集成和封裝策略提供了機會。另一方面，由于平面結構更利于MEMS工藝加工，故音叉以及盤式等平面內諧振子更有可能突破NEMS工藝。

（2）對于工作在各種模式下的陀螺儀，其性能與諧振子本身的性能有很大聯系。對諧振子的高要求使得諧振子結構愈加復雜。近年來，隨著人工智能（AI）技術的興起，各類智能優化算法有望替代傳統的優化算法提升MEMS陀螺儀的設計效率。

在硬件電路層面：

（1）小型化與低功耗是MEMS陀螺儀的發展趨勢，尤其對于控制電路簡單的開環與李薩如調頻（LFM）陀螺儀。集成電路允許針對電路元件特異性優化，并且可以實現功耗、大小、成本和性能之間的折衷。因此，ASIC電路的應用將進一步推動MEMS陀螺儀的商業化。

（2）傳統MEMS陀螺儀通過電容實現諧振子的驅動與位移的檢測。對于驅動機構來說，受拉入效應的影響，需要對驅動力和振動位移進行折衷，同時電容換能器也可能帶來非線性，進而影響陀螺儀性能。壓電驅動將是潛在的替代方案。壓電材料允許增加位移幅度，而不會產生電容性非線性效應，這有助于提升LFM和開環陀螺儀的分辨率，或降低全角陀螺儀的4θ諧波。

在軟件算法層面：諧振子和硬件電路的升級能夠提升MEMS陀螺儀的精度極限，而軟件算法的加持則能夠使MEMS陀螺儀充分發揮其性能潛力。因此，研究各種模式下MEMS陀螺儀的誤差建模與補償是有必要的。對于傳統調幅陀螺儀來說，其誤差補償方法已經較為成熟，但現有的補償方案大多只針對一種誤差。因此，可以基于現有方法設計合理的誤差補償流程以消除陀螺儀中的多種誤差源。對于全角模式來說，諧振子缺陷引起的阻尼誤差是主要的誤差源，最近提出的基于熱阻效應的阻尼修調方案有希望廣泛用于耦合阻尼誤差的消除。另外，盡管許多補償算法大幅提升了陀螺儀的性能，但是這些方法大多是離線的，缺乏實時性。因此，開發全角陀螺儀的在線補償算法是很有必要的。對于調頻陀螺儀的誤差建模和補償技術的研究還處于起步階段。目前可以優先考慮對廣泛存在于陀螺儀中的耦合剛度與耦合阻尼誤差設計補償方案，例如通過速度反饋以及正交控制回路抑制消除差分調頻陀螺儀的耦合阻尼誤差和正交誤差，還可以通過兩軸的頻差為特征量實現QFM陀螺儀的模式匹配。另外，還可以通過靜電調諧消除剛度軸的傾斜角，進而消除LFM陀螺儀中的正交誤差。

論文信息：
DOI: 10.19306/j.cnki.2095-8110.2024.02.002