基于微機電系統（MEMS）技術的陀螺儀憑借微型化、低功耗與可批量制造等優勢，已成為汽車導航、工業自動化及消費電子等領域實現高精度運動感知的關鍵器件。在各類機電換能機制中，靜電陀螺儀長期占據性能標桿地位，產品精度已接近導航級水平。然而，這類器件仍存在制造與集成復雜、魯棒性受限等問題。相比之下，壓電陀螺儀提供了一種極具吸引力的替代方案，其具有機電耦合效率高、線性驅動范圍寬且無需施加直流偏置電壓等優勢。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院空天信息創新研究院鄒旭東教授團隊提出一種基于氮化鋁（AlN）的高性能壓電環形MEMS偏航陀螺儀。該器件采用單晶硅平臺制備而成，品質因數（Q值）達到75000，為目前已報道的硅基壓電陀螺儀的最高水平，其綜合性能指標可與當前最先進的鋯鈦酸鉛（PZT）環形陀螺儀相媲美。相關研究成果以“Design, Modeling, and Fabrication of a High-Q AlN Annular Gyroscope with Sub-10°/h Bias Instability”為題發表在Micromachines期刊上。
PZT壓電陀螺儀報告：《Silicon Sensing MEMS陀螺儀對比分析》
這項研究工作展示了一種基于AlN壓電換能機制的高性能MEMS偏航陀螺儀，器件制備在?111?晶向單晶硅結構層上。該壓電MEMS陀螺儀采用寬環形諧振器，在132 kHz下工作于面內酒杯模態（in-plane wineglass mode）。為最大化機電轉換效率，研究人員建立了解析模型，將輸出電荷與模態變形下面內應力面積相關聯，并以此指導環形寬度的參數優化。通過對環形諧振器幾何結構、可實現應變積分耦合最大化的電極布局，以及消除正面刻蝕釋放孔的背面溝槽釋放工藝進行協同設計，器件在保持結構完整性的同時，也維持了面內應力的連續性，從而能夠有效抑制熱彈性阻尼（TED）。
圖1 基于AIN的壓電環形MEMS陀螺儀示意圖
圖2 AlN壓電環形MEMS陀螺儀的掃描電鏡（SEM）圖像
圖3 AlN壓電環形MEMS陀螺儀的制造工藝流程
經實驗驗證，該AlN壓電環形MEMS陀螺儀實現了75000的品質因數，為迄今已報道的硅基壓電陀螺儀的最高水平。在開環速率模式下工作，其本征頻率分裂為28 Hz，角隨機游走為0.34°/√h，零偏不穩定性為8.19°/h，相關性能指標可與當前最先進的PZT基壓電陀螺儀相媲美。更為關鍵的是，該優異性能是基于無鉛且符合《關于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》（RoHS）規范的AlN壓電層實現的。
圖4 真空環境下（~0.01 Pa）MEMS陀螺儀（a）幅值與（b）相位的頻率掃頻曲線
圖5 AlN壓電環形MEMS陀螺儀的性能測試
這項研究表明，通過合理的結構與工藝協同優化，AlN壓電環形MEMS陀螺儀的有望實現與PZT壓電陀螺儀相當的性能水平，從而為高穩定性、環保合規型慣性傳感器的發展提供了一條可持續的技術路徑。
論文信息：
https://doi.org/10.3390/mi17020268
