基于局部热调谐的电感式环形MEMS陀螺仪：为恶劣环境而生！
2026-03-07 14:45:14 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
国防科技大学的研究团队提出并通过实验验证了一种局部热调谐方法，以抑制熔融石英电感式振动环形陀螺仪中的频率失配，为提高其在恶劣环境应用中的精度铺平了道路。
得益于高度对称的结构特性，环形MEMS陀螺仪是MEMS陀螺仪领域最具前景的方案之一。根据其驱动和传感机制，振动环形陀螺仪通常分为电容式、电感式或压电式器件。其中，电容式方案应用最为广泛，在学术界和工业界都得到了广泛研究。然而，电容式环形陀螺仪的固有设计特点——谐振结构与固定电极之间的电容间隙极窄，这使其对机械冲击和振动极为敏感。
近些年，全角度工作模式因其相较于传统速率模式陀螺仪的显著优势而成为研究热点，其优势包括异常稳定的比例因子、理论上无限制的测量范围以及带宽。然而，全角度模式对结构对称性提出了极高的要求，即使是微小的不对称，也会在微谐振器中引发显著的频率分裂和不均匀阻尼，从而导致较大的测量误差和偏置漂移。因此，减小此类陀螺仪的频率分裂对于充分发挥其潜力至关重要。
在此背景下，迫切需要一种专门为电磁驱动的陀螺仪设计的新颖、实时且可逆的频率调谐技术。据麦姆斯咨询介绍，国防科技大学的研究团队提出并通过实验验证了一种局部热调谐方法，以抑制熔融石英电感式振动环形陀螺仪中的频率失配，为提高其在恶劣环境应用中的精度铺平了道路。相关研究成果已经以“Localized thermal tuning in fused silica inductive vibrating ring gyroscopes”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
熔融石英电感式振动环形陀螺仪
熔融石英电感式振动环形陀螺仪由谐振结构、基底、永磁体和一对导磁体组成，其中谐振结构和基底均由熔融石英制成。永磁体采用钐钴合金（Sm₂Co₁₇），因其具有优异的剩磁和热稳定性。导磁体由坡莫合金制成，具有极高的磁导率和极低的矫顽力，并为磁场提供低磁阻路径。这种结构能有效地将磁通线集中在谐振环周围的环形气隙内，从而减少磁通泄漏，同时提高磁通密度。
图1 熔融石英电感式振动环形陀螺仪的结构示意图
熔融石英环谐振器作为陀螺仪的核心部件，由内部谐振环、16根支撑梁和外部锚定结构组成。其表面刻有8个均匀分布且电隔离的导线电极。当电流通过这些电极时，洛伦兹力会驱动陀螺仪的主模式。在旋转情况下，产生的科里奥利力会诱发次级模式，从而在相应电极中产生可检测的感应电动势（EMF）。角速度数据可通过计算这些电动势信号得出。
图2 熔融石英谐振器上局部热调谐的示意图
图3 四种局部热电极图案，a）R1 = 17.2 Ω，b）R2 = 24.7 Ω，c）R3 = 29.9 Ω，d）R4 = 33.5 Ω
局部热调谐的实验验证
为验证所提出局部热调谐方法的有效性，研究人员制作了四个电感式振动环形陀螺仪原型，分别采用了不同的局部热电极配置。作为陀螺仪核心部件的熔融石英环形谐振器，通过激光诱导辅助蚀刻（LIAE）技术在熔融石英上制作而成。该技术能够实现高纵横比、近垂直且光滑的侧壁。金属电极的制作首先在熔融石英晶圆上通过磁控溅射沉积Cr/Au双层膜，随后通过紫外光刻定义电极图案，接着旋涂耐酸光刻胶，以在谐振器释放过程中保护金属化区域。之后，在氢氟酸溶液中对结构进行蚀刻。由于光刻胶不能完全阻止氢氟酸溶液的渗透，电极线的宽度不得超过8 μm，以避免分层风险。
图4 组装好的陀螺仪照片，局部热电极的放大图，以及局部热调谐的实验结果
在四个原型中，采用局部热电极设计的器件R2-R4与采用传统电极设计的R1相比，表现出显著更高的热调谐效率和更低的热耦合系数。原型R2实现了46.3 Hz/W的最高调谐效率，相应的热耦合系数为37.7%，而原型R4则以39.8 Hz/W的调谐效率呈现出25%的最低热耦合。这些实验结果与仿真分析具有良好的一致性。总体而言，这些发现确凿地验证了在电磁驱动式陀螺仪中通过热调谐降低频率分裂的可行性。
图5 熔融石英电感式振动环形陀螺仪中局部热调谐的验证
图6 全角度熔融石英电感式振动环形陀螺仪在热调谐前后的性能比较
小结
本研究通过局部焦耳加热，为电磁驱动式振动环形陀螺仪实现实时频率分裂调谐提供了一种有效的解决方案。通过合理的电极设计，简并模式之间的热耦合被大幅降低。实验结果证实了所提方法的可行性和优越性能，显示出陀螺仪性能的显著提升，包括与角度相关的偏差、标度因子非线性和偏差不稳定性。此外，该方法在较宽的工作温度范围内表现出良好的温度适应性，频率变化较小。这种局部热调谐策略的独特性为电感式陀螺仪的小型化、精度提升以及在恶劣环境应用中的更广泛应用潜力提供了一条极具前景的道路。总体而言，这种局部热调谐方法是MEMS陀螺仪频率调谐领域的一项重大创新。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01203-6
延伸阅读：
《村田MEMS惯性测量单元（IMU）SCH1633产品分析》
《消费类MEMS惯性测量单元（IMU）产品对比分析-2022版》
《汽车级MEMS惯性测量单元（IMU）产品对比分析-2024版》
上一篇：AlN压电环形MEMS陀螺仪，性能达到硅基压电陀螺仪最高水平
下一篇：MEMS蝶型陀螺仪应力优化与性能提升新方法