近期，廈門大學研究生陳廣鵬在薩本棟微米納米科學技術研究院航空航天大樓275會議室分享了題為“單片集成三軸MEMS陀螺儀設計及TGV關鍵工藝研究”的研究報告。出席本次會議的教師有：吳德志教授、陳松月副教授、趙楊副教授、陳沁楠副教授以及丁政茂助理教授。
圖1 陳廣鵬匯報研究進展
隨著智能移動終端與微型無人系統對多自由度運動感知需求的急劇增長，傳統三軸陀螺儀多芯片空間正交布局方案及單芯片多結構布局方案存在體積冗余、成本高及電路匹配復雜等問題，單片集成設計簡化了系統的布局和連接，具備體積小、成本低等優勢，是現代高精度導航和控制系統的重要研究熱點之一。
圖2（a）多芯片空間立體正交布局；（b）單芯片多結構分布式布局；（c）單芯片單結構集成布局
現有的輪環式單片集成三軸陀螺儀結構簡單、抗干擾能力強但是正交誤差大，多質量塊式單片集成三軸陀螺儀結構復雜、可通過結構設計降低正交誤差且精度潛力高。本文提出一種將圓環結構與多質量塊布局結合的強耦合單片集成三軸MEMS陀螺儀方案。本文通過內外圓環使四個質量塊在驅動和檢測方向實現剛度耦合，推導強耦合三軸MEMS陀螺儀的運動學方程并進行數值仿真，驗證了耦合圓環可以提升陀螺儀的抗沖擊能力。
圖3 單片集成三軸MEMS陀螺儀敏感結構示意
基于對不同梁三軸方向剛度差及耦合圓環剛度阻尼的分析，設計完善了強耦合三軸MEMS陀螺儀敏感結構。通過模態分析、諧響應分析、穩態分析等，設計并驗證了Z軸調諧電極、Z軸檢測反饋電極、Z軸正交解耦電極的有效性，實現Z軸檢測方向的閉環。經有限元仿真驗證，三軸MEMS陀螺儀驅動模態和X軸、Y軸、Z軸檢測模態頻率分別為15105 Hz、15113 Hz、15111 Hz、15230 Hz，Q值分別為211925、19074、19078、165347，且各工作模態均為差分模式，可免疫大部分包括面內線振動、溫度導致的熱膨脹位移等共模誤差干擾；X軸、Y軸、Z軸檢測方向機械靈敏度分別為3.65 nm/(°/s)、1.21 nm/(°/s)、1.22 nm/(°/s)；通過解耦框架結構設計使驅動方向與面內、面外檢測方向的機械正交誤差分別為0.01%和0.003%。
本文將玻璃回流TGV工藝應用于三軸MEMS陀螺儀，設計了圓片級三維真空封裝工藝方案。敏感結構錨點及固定電極信號通過TGV中的低阻硅柱引出，可減小電信號損失及系統尺寸。針對玻璃回流工藝進行研究與優化，結果表明實驗條件為氮氣環境、1050 ℃保溫6 h時具有很好的回流效果。測試表明TGV硅柱的電阻值為129.9 Ω，具備信號傳輸的可行性。制備了基于TGV的敏感結構層，結構形貌良好。這項研究提出了一種具有圓環耦合結構的單片集成三軸MEMS陀螺儀，且驗證了玻璃回流TGV工藝在其三維封裝中信號傳輸的可行性，具有一定的參考意義及應用前景。
圖4 三軸MEMS陀螺儀三維封裝工藝方案
本文提出了一種具有強耦合圓環結構的單片集成三軸MEMS陀螺儀，完成了結構設計及性能仿真驗證，具有較高的Q值和魯棒性，具有一定的應用前景。制備了玻璃回流TGV蓋帽，為后續三維真空封裝打下基礎。為進一步完善三維真空封裝并測試性能指標，還需要對結構進行制備并完成封裝工藝，對MEMS陀螺儀進行性能測試。
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