得益于高度對稱的結構特性，環形MEMS陀螺儀是MEMS陀螺儀領域最具前景的方案之一。根據其驅動和傳感機制，振動環形陀螺儀通常分為電容式、電感式或壓電式器件。其中，電容式方案應用最為廣泛，在學術界和工業界都得到了廣泛研究。然而，電容式環形陀螺儀的固有設計特點——諧振結構與固定電極之間的電容間隙極窄，這使其對機械沖擊和振動極為敏感。
近些年，全角度工作模式因其相較于傳統速率模式陀螺儀的顯著優勢而成為研究熱點，其優勢包括異常穩定的比例因子、理論上無限制的測量范圍以及帶寬。然而，全角度模式對結構對稱性提出了極高的要求，即使是微小的不對稱，也會在微諧振器中引發顯著的頻率分裂和不均勻阻尼，從而導致較大的測量誤差和偏置漂移。因此，減小此類陀螺儀的頻率分裂對于充分發揮其潛力至關重要。
在此背景下，迫切需要一種專門為電磁驅動的陀螺儀設計的新穎、實時且可逆的頻率調諧技術。據麥姆斯咨詢介紹，國防科技大學的研究團隊提出并通過實驗驗證了一種局部熱調諧方法，以抑制熔融石英電感式振動環形陀螺儀中的頻率失配，為提高其在惡劣環境應用中的精度鋪平了道路。相關研究成果已經以“Localized thermal tuning in fused silica inductive vibrating ring gyroscopes”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
熔融石英電感式振動環形陀螺儀
熔融石英電感式振動環形陀螺儀由諧振結構、基底、永磁體和一對導磁體組成，其中諧振結構和基底均由熔融石英制成。永磁體采用釤鈷合金（Sm?Co??），因其具有優異的剩磁和熱穩定性。導磁體由坡莫合金制成，具有極高的磁導率和極低的矯頑力，并為磁場提供低磁阻路徑。這種結構能有效地將磁通線集中在諧振環周圍的環形氣隙內，從而減少磁通泄漏，同時提高磁通密度。
圖1 熔融石英電感式振動環形陀螺儀的結構示意圖
熔融石英環諧振器作為陀螺儀的核心部件，由內部諧振環、16根支撐梁和外部錨定結構組成。其表面刻有8個均勻分布且電隔離的導線電極。當電流通過這些電極時，洛倫茲力會驅動陀螺儀的主模式。在旋轉情況下，產生的科里奧利力會誘發次級模式，從而在相應電極中產生可檢測的感應電動勢（EMF）。角速度數據可通過計算這些電動勢信號得出。
圖2 熔融石英諧振器上局部熱調諧的示意圖
圖3 四種局部熱電極圖案，a）R1?=?17.2 Ω，b）R2?=?24.7 Ω，c）R3?=?29.9 Ω，d）R4?=?33.5 Ω
局部熱調諧的實驗驗證
為驗證所提出局部熱調諧方法的有效性，研究人員制作了四個電感式振動環形陀螺儀原型，分別采用了不同的局部熱電極配置。作為陀螺儀核心部件的熔融石英環形諧振器，通過激光誘導輔助蝕刻（LIAE）技術在熔融石英上制作而成。該技術能夠實現高縱橫比、近垂直且光滑的側壁。金屬電極的制作首先在熔融石英晶圓上通過磁控濺射沉積Cr/Au雙層膜，隨后通過紫外光刻定義電極圖案，接著旋涂耐酸光刻膠，以在諧振器釋放過程中保護金屬化區域。之后，在氫氟酸溶液中對結構進行蝕刻。由于光刻膠不能完全阻止氫氟酸溶液的滲透，電極線的寬度不得超過8 μm，以避免分層風險。
圖4 組裝好的陀螺儀照片，局部熱電極的放大圖，以及局部熱調諧的實驗結果
在四個原型中，采用局部熱電極設計的器件R2-R4與采用傳統電極設計的R1相比，表現出顯著更高的熱調諧效率和更低的熱耦合系數。原型R2實現了46.3 Hz/W的最高調諧效率，相應的熱耦合系數為37.7%，而原型R4則以39.8 Hz/W的調諧效率呈現出25%的最低熱耦合。這些實驗結果與仿真分析具有良好的一致性。總體而言，這些發現確鑿地驗證了在電磁驅動式陀螺儀中通過熱調諧降低頻率分裂的可行性。
圖5 熔融石英電感式振動環形陀螺儀中局部熱調諧的驗證
圖6 全角度熔融石英電感式振動環形陀螺儀在熱調諧前后的性能比較
小結
本研究通過局部焦耳加熱，為電磁驅動式振動環形陀螺儀實現實時頻率分裂調諧提供了一種有效的解決方案。通過合理的電極設計，簡并模式之間的熱耦合被大幅降低。實驗結果證實了所提方法的可行性和優越性能，顯示出陀螺儀性能的顯著提升，包括與角度相關的偏差、標度因子非線性和偏差不穩定性。此外，該方法在較寬的工作溫度范圍內表現出良好的溫度適應性，頻率變化較小。這種局部熱調諧策略的獨特性為電感式陀螺儀的小型化、精度提升以及在惡劣環境應用中的更廣泛應用潛力提供了一條極具前景的道路。總體而言，這種局部熱調諧方法是MEMS陀螺儀頻率調諧領域的一項重大創新。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01203-6
