MEMS蝶型陀螺仪应力优化与性能提升新方法
2026-03-07 15:56:00 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
为了降低热应力并提升其性能，中国人民解放军陆军工程大学等研究人员从理论上推导了高精度MEMS蝶型陀螺仪热应力的产生机理及其影响，为优化和实验提供了依据。基于MEMS蝶型陀螺仪的工作模态，设计了一种新型悬臂板结构，并通过仿真优化实现了应力隔离。
微机电系统（MEMS）陀螺仪因其小型化、低成本、高可靠性、可批量制造及与集成电路（IC）兼容集成等优势，在惯性导航系统中受到了广泛关注。随着该技术在结构设计、信号检测及制造工艺方面的持续优化，MEMS陀螺仪的恒温性能得到了大幅提升，逐步实现了导航级性能。
然而，大多数MEMS陀螺仪实际应用于变温环境中。温度变化产生的热应力会导致其工作频率、阻尼及电容器间隙发生改变，从而引起偏置误差。此外，应变迟滞效应使得在加热和冷却过程中产生不同的输出结果，这意味着传统的温度补偿算法无法完全消除误差，从而限制了MEMS陀螺仪温变相关性能的提升。
据麦姆斯咨询报道，为了降低热应力并提升其性能，中国人民解放军陆军工程大学等研究人员从理论上推导了高精度MEMS蝶型陀螺仪热应力的产生机理及其影响，为优化和实验提供了依据。基于MEMS蝶型陀螺仪的工作模态，设计了一种新型悬臂板结构，并通过仿真优化实现了应力隔离。相关研究成果以“Research on the Method of Optimizing the Stress and Improving the Performance for MEMS Gyroscope Based on the Cantilever-Plate Structure”为题发表在Micromachines期刊上。
MEMS蝶型陀螺仪的机械结构如下图所示。该结构包含两个通过振动梁连接的质量块，质量块内部的两个锚点与带有电极的衬底键合。质量块及其对应的电极构成一对电容器，用于驱动机械结构并检测结构变化，电容器间隙为2 μm。研究人员设计了三种类型的电极：驱动电极、感测电极和调谐电极。
MEMS蝶形陀螺仪结构
MEMS蝶型陀螺仪的振动梁通过锚点与电极层直接连接。由于振动梁的宽度远小于电极层，因此可认为振动梁的应力与电极层的应力相同。电极层的应力主要源于硅与陶瓷外壳之间的热膨胀失配，因此MEMS蝶型陀螺仪的热应力模型可简化为下图所示。降低热应力是抑制偏置滞后、提升MEMS蝶型陀螺仪在整个温度范围内性能的有效方法。
用于分析热应力的简化模型
基于MEMS蝶型陀螺仪的振动形态，研究人员提出并设计了悬臂板结构以隔离应力。为减小热应力的影响，该结构被布置在陶瓷外壳与陀螺仪之间。该结构底部通过导电胶粘合到陶瓷外壳的基底，顶部则通过悬臂板的凸台与陀螺仪结合。悬臂板结构的主体是在硅基底上通过深反应离子刻蚀（DRIE）工艺制备的悬臂板。为使陀螺仪仅与悬臂板结构接触，在悬臂板上设计了凸台；同时，在悬臂板结构的背面设计了凹槽，为悬臂板提供变形空间。
悬臂板结构的设计
为验证悬臂板结构对热应力的抑制效果，分别对集成悬臂板结构前后的MEMS蝶型陀螺仪的热应力进行仿真。仿真结果表明，在集成悬臂板结构后，相同变温范围内，作用于MEMS蝶型陀螺仪的应力降低了346倍，平均电容器间隙误差也减小了36倍。
集成悬臂板结构前后MEMS蝶型陀螺仪热应力仿真结果
此外，研究人员制备了悬臂板结构并将其与MEMS蝶型陀螺仪集成。通过实验验证了该结构降低热应力的效果。结果表明，将悬臂板结构集成到陀螺仪后，在整个温度范围内，频率变化降低了28.6%，偏置稳定性提升了约2倍。这表明悬臂板结构可有效降低热应力，提升MEMS蝶型陀螺仪的性能。
悬臂板结构的制造与集成过程
集成悬臂板结构前后偏置输出实验结果
综上所述，研究人员重点研究了影响MEMS蝶型陀螺仪温变相关性能的重要因素——热应力，推导了热应力的理论效应。研究表明，在相同变温范围内，热应力会放大频率漂移和偏置滞后，该结论可用于后续实验中MEMS蝶型陀螺仪的应力评估。为降低热应力，根据MEMS蝶型陀螺仪的工作模态，设计了一种新型悬臂板结构，并结合仿真结果与实际制造工艺，对其关键尺寸进行了优化。仿真结果显示，集成优化的悬臂板结构后，在相同变温范围内，陀螺仪的应力及其引发的电容器间隙误差均大幅减小。在制造和集成悬臂板结构后，还对MEMS陀螺仪进行了性能测试，结果表明，在整个温度范围内，热应力显著降低，偏置稳定性提升了约2倍。这表明，该悬臂板结构可有效降低热应力，提升MEMS蝶型陀螺仪的性能。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi16040372
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