【摘 要】
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作为一种测量载体角速率的微型传感器,MEMS陀螺以其小体积、低功耗、低成本等优势,广泛应用于惯性导航、姿态控制和稳定控制平台等领域。现行主流MEMS陀螺以电容检测式为主,受寄生电容和下拉效应影响,精度已达到其极限水平,很难突破。为了进一步提升MEMS陀螺的精度,结合光栅检测精度极限高于电容检测式的优点,本文研究基于光栅自成像效应的MEMS陀螺的结构设计与关键工艺研究。主要内容如下:（1）光栅自成像
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作为一种测量载体角速率的微型传感器,MEMS陀螺以其小体积、低功耗、低成本等优势,广泛应用于惯性导航、姿态控制和稳定控制平台等领域。现行主流MEMS陀螺以电容检测式为主,受寄生电容和下拉效应影响,精度已达到其极限水平,很难突破。为了进一步提升MEMS陀螺的精度,结合光栅检测精度极限高于电容检测式的优点,本文研究基于光栅自成像效应的MEMS陀螺的结构设计与关键工艺研究。主要内容如下:（1）光栅自成像效应MEMS陀螺检测机理和仿真设计。当陀螺感知外部角速率时,在科氏力作用下质量块带动下层光栅运动,基于双层光栅的自成像效应,通过检测双层光栅的衍射光强变化即可获得角速率信息。通过理论与仿真设计,实现MEMS陀螺的结构和双层光栅的最优尺寸,仿真得到陀螺的驱动频率为8146.7Hz（离面）和7720Hz（面内）,检测频率为8147.8Hz（离面）和7719.6Hz（面内）,驱动方向品质因数分别为1257.8（离面）和855.7（面内）,检测方向品质因数分别为3850（离面）和1393.2（面内）,光栅MEMS陀螺灵敏度分别为6.97m V/°/s（离面）和22.81m V/°/s（面内）。（2）光栅MEMS陀螺工艺加工与制造。主要包括设计MEMS工艺流程,对高精度光栅制备工艺和低侧蚀悬臂梁刻蚀工艺进行深入研究,最后对光栅MEMS陀螺结构进行表征测试,结果表明MEMS陀螺的制造误差可保持在5.7%以内,验证了加工工艺的可行性。（3）光栅MEMS陀螺模态匹配控制。通过测试陀螺的驱动和检测频率分别为7083Hz和7112Hz（与仿真结果相比,最大相对误差为8.3%）,品质因数分别为810.3和1059.1。为降低由于陀螺制造误差对陀螺灵敏度的影响,提出一种基于电磁驱动的调谐方法,即在驱动导线两端施加偏置电压,使陀螺驱动梁产生拉伸应力,改变特征频率。实验结果表明,当偏置电压为4.6V时,驱动频率可调谐至7111Hz,此时频差小于1Hz,验证了MEMS陀螺电磁驱动调谐方法的可行性,为实现高精度MEMS陀螺惯性测量提供了有力支撑。
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