MEMS陀螺儀作為組合導航系統、飛行器制導與控制、汽車安全與導航、機器人及醫療儀器等領域的核心傳感器件，其小型化、高抗干擾性是行業發展的關鍵訴求。當前傳統單片三軸陀螺儀普遍存在抗干擾能力弱、結構體積大等問題，現有產品工作模態諧振頻率多處于7 ~ 17 kHz，易受外界振動干擾，難以滿足航空航天、自動駕駛等高端場景的精準測量需求，研發高頻、小型化三軸MEMS陀螺儀成為突破行業瓶頸的關鍵。
據麥姆斯咨詢報道，針對上述問題，中北大學研究團隊設計了一種四質量高頻三軸MEMS陀螺儀，與傳統的陀螺儀相比，該器件具有較高的諧振頻率（~30 kHz），敏感結構尺寸僅為3 mm × 2.56 mm。這項研究為高頻三軸MEMS陀螺儀的研制提供了可行方案，相關研究成果以“四質量高頻三軸MEMS陀螺設計及制造”為題發表在《光學精密工程》期刊上。
在這項工作中，研究團隊創新性地設計了由四個兩兩對稱質量塊組成的敏感結構，通過四角折疊彈簧梁實現質量塊同步運動，借助口字形梁連接中心框架實現面外翻轉，敏感結構尺寸僅為3 mm × 2.56 mm，與傳統的三軸振動陀螺儀相比，該敏感結構具有相對較高的工作模態諧振頻率，因此可以顯著對降低外部振動的敏感。
圖1 四質量高頻三軸MEMS陀螺儀結構示意圖
為實現高頻性能目標，研究團隊采用多目標遺傳算法（MOGA）對敏感結構梁寬進行優化，設定工作模態諧振頻率高于30 kHz、驅動與檢測模態頻差小于200 Hz的優化目標，最終確定了9組關鍵梁寬參數，經模態仿真驗證，優化后陀螺儀工作模態諧振頻率均滿足設計要求，且與干擾模態頻差較大，有效避免了模態干擾。在制備工藝方面，研究團隊采用三晶圓鍵合技術，完成了從基底刻蝕、晶圓鍵合到引線制備的全流程加工，制備出整體尺寸僅4 mm × 4 mm的陀螺儀器件，并通過X射線觀測驗證了結構完整性。
圖2 三軸MEMS陀螺儀加工工藝流程示意圖
圖3（a）X射線觀測儀；（b）觀測到的敏感結構
研究團隊通過搭建掃頻測試系統，對該陀螺儀的諧振頻率和品質因數進行了全面表征，實驗結果顯示，該陀螺儀的驅動、X軸、Y軸、Z軸檢測模態的諧振頻率分別為29692 Hz、31290 Hz、29881 Hz、30721 Hz，品質因數分別為1274、354、305、393，接近30 kHz的高頻設計目標，抗干擾能力顯著提升，高于部分國際同類產品。在尺寸方面，相較于一些國內陀螺儀，具有更好的小型化特性，在對空間要求苛刻的應用場景中更具競爭力。
圖4 三軸MEMS陀螺儀幅頻特性曲線：（a）驅動模態，（b）Z軸檢測模態，（c）X軸檢測模態，（d）Y軸檢測模態
這項研究為高頻三軸MEMS陀螺儀的研制提供了一種可行的方案。研究團隊表示，未來將進一步優化加工工藝，提升器件真空度和品質因數，以縮小與國際頂尖水平的差距，推動該類陀螺儀在航空航天、自動駕駛等高端領域的廣泛應用。
