微機電系統（MEMS）陀螺儀因其小型化、低成本、高可靠性、可批量制造及與集成電路（IC）兼容集成等優勢，在慣性導航系統中受到了廣泛關注。隨著該技術在結構設計、信號檢測及制造工藝方面的持續優化，MEMS陀螺儀的恒溫性能得到了大幅提升，逐步實現了導航級性能。
然而，大多數MEMS陀螺儀實際應用于變溫環境中。溫度變化產生的熱應力會導致其工作頻率、阻尼及電容器間隙發生改變，從而引起偏置誤差。此外，應變遲滯效應使得在加熱和冷卻過程中產生不同的輸出結果，這意味著傳統的溫度補償算法無法完全消除誤差，從而限制了MEMS陀螺儀溫變相關性能的提升。
據麥姆斯咨詢報道，為了降低熱應力并提升其性能，中國人民解放軍陸軍工程大學等研究人員從理論上推導了高精度MEMS蝶型陀螺儀熱應力的產生機理及其影響，為優化和實驗提供了依據。基于MEMS蝶型陀螺儀的工作模態，設計了一種新型懸臂板結構，并通過仿真優化實現了應力隔離。相關研究成果以“Research on the Method of Optimizing the Stress and Improving the Performance for MEMS Gyroscope Based on the Cantilever-Plate Structure”為題發表在Micromachines期刊上。
MEMS蝶型陀螺儀的機械結構如下圖所示。該結構包含兩個通過振動梁連接的質量塊，質量塊內部的兩個錨點與帶有電極的襯底鍵合。質量塊及其對應的電極構成一對電容器，用于驅動機械結構并檢測結構變化，電容器間隙為2 μm。研究人員設計了三種類型的電極：驅動電極、感測電極和調諧電極。
MEMS蝶形陀螺儀結構
MEMS蝶型陀螺儀的振動梁通過錨點與電極層直接連接。由于振動梁的寬度遠小于電極層，因此可認為振動梁的應力與電極層的應力相同。電極層的應力主要源于硅與陶瓷外殼之間的熱膨脹失配，因此MEMS蝶型陀螺儀的熱應力模型可簡化為下圖所示。降低熱應力是抑制偏置滯后、提升MEMS蝶型陀螺儀在整個溫度范圍內性能的有效方法。
用于分析熱應力的簡化模型
基于MEMS蝶型陀螺儀的振動形態，研究人員提出并設計了懸臂板結構以隔離應力。為減小熱應力的影響，該結構被布置在陶瓷外殼與陀螺儀之間。該結構底部通過導電膠粘合到陶瓷外殼的基底，頂部則通過懸臂板的凸臺與陀螺儀結合。懸臂板結構的主體是在硅基底上通過深反應離子刻蝕（DRIE）工藝制備的懸臂板。為使陀螺儀僅與懸臂板結構接觸，在懸臂板上設計了凸臺；同時，在懸臂板結構的背面設計了凹槽，為懸臂板提供變形空間。
懸臂板結構的設計
為驗證懸臂板結構對熱應力的抑制效果，分別對集成懸臂板結構前后的MEMS蝶型陀螺儀的熱應力進行仿真。仿真結果表明，在集成懸臂板結構后，相同變溫范圍內，作用于MEMS蝶型陀螺儀的應力降低了346倍，平均電容器間隙誤差也減小了36倍。
集成懸臂板結構前后MEMS蝶型陀螺儀熱應力仿真結果
此外，研究人員制備了懸臂板結構并將其與MEMS蝶型陀螺儀集成。通過實驗驗證了該結構降低熱應力的效果。結果表明，將懸臂板結構集成到陀螺儀后，在整個溫度范圍內，頻率變化降低了28.6%，偏置穩定性提升了約2倍。這表明懸臂板結構可有效降低熱應力，提升MEMS蝶型陀螺儀的性能。
懸臂板結構的制造與集成過程
集成懸臂板結構前后偏置輸出實驗結果
綜上所述，研究人員重點研究了影響MEMS蝶型陀螺儀溫變相關性能的重要因素——熱應力，推導了熱應力的理論效應。研究表明，在相同變溫范圍內，熱應力會放大頻率漂移和偏置滯后，該結論可用于后續實驗中MEMS蝶型陀螺儀的應力評估。為降低熱應力，根據MEMS蝶型陀螺儀的工作模態，設計了一種新型懸臂板結構，并結合仿真結果與實際制造工藝，對其關鍵尺寸進行了優化。仿真結果顯示，集成優化的懸臂板結構后，在相同變溫范圍內，陀螺儀的應力及其引發的電容器間隙誤差均大幅減小。在制造和集成懸臂板結構后，還對MEMS陀螺儀進行了性能測試，結果表明，在整個溫度范圍內，熱應力顯著降低，偏置穩定性提升了約2倍。這表明，該懸臂板結構可有效降低熱應力，提升MEMS蝶型陀螺儀的性能。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/mi16040372
