體聲波陀螺儀傳感器引發慣性MEMS應用新變革

如今工程師所設計的很多系統和產品中都包含有微機電系統(MEMS)傳感器，特別是MEMS陀螺儀等關鍵元器件。這些應用種類繁多，從可攜式設備、可穿戴設備到工業機器人、關鍵的汽車安全系統等一應俱全。它們對低功率、小尺寸、環境耐受性及低成本等提出了越來越高的要求。為滿足這些需求，如今的設計工程師正在思考新的解決方案，同時也在尋求能將理論與實踐相結合併能將實驗室與生產線相連接的新合作夥伴。他們想要尋求創新和形成規模。

而被稱之為體聲波(BAW)的新一代創新MEMS技術正為這些問題提供了解決方案。體聲波技術正被用於開發一類全新的固態MEMS陀螺儀，其不僅能很好滿足低功率、小尺寸、低成本及高產量等要求，同時還提高了產品的總體性能。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/326305.htm

陀螺儀技術的局限性

所有商用MEMS陀螺儀的基本原理均相同，即在旋轉狀態下同一結構的兩個振動模態之間因科裡奧利力發生的能量轉移。指定旋轉產生絕對加速度的基本運動學關係用於形成耦合微分方程，所得方程反過來又指定驅動振動模態和檢測振動模態下的運動。對所得方程進行求解後，可以得到下述陀螺儀靈敏度(xSNS/Ω)與工作頻率(ωDRV、ωSNS)、Q值(Q)及驅動模態位移振幅(xDRV)之間的關係表達式。

從這個方程式中可以明顯看出，旋轉靈敏度會隨著驅動模態位移振幅的增加而增加。然而，由於功率限制增加，大驅動振幅主要依靠器件整體剛度(即工作頻率)的減小來實現。因此，市面上銷售的陀螺儀工作頻率都在5kHz~50kHz之間。但這樣的工作頻率不僅限制了MEMS振動陀螺儀對振動和衝擊的耐受性能，同時還造成其模態匹配優勢難以發揮。該優勢指的是旋轉靈敏度對機械品質因數的依賴程度，如下列在兩個工作頻率相同(ωDRV = ωSNS)的特殊情況下的方程式所示[1]：

為了獲得接近20~50k的機械放大，現有的MEMS陀螺儀必須在高真空條件下工作，以消除空氣阻尼的影響。要達到這樣的真空水平通常會耗費較高的成本，而且還必須實施複雜的大功耗力反饋操作來解決開環帶寬限制(ωSNS/ 2QSNS)問題。

體聲波陀螺儀技術簡介

針對目前普遍存在的局限性，喬治亞理工學院集成MEMS(GT-IMEMS)實驗室基於圓盤簡併體聲波模態開發了一種全新的MEMS振動陀螺儀。BAW陀螺儀依賴兩種簡併BAW模態(工作頻率一般在1MHz~10MHz範圍內)之間的能量轉移來運行。

圖1b：「n=3」面內簡併BAW模態的可視化表示用於檢測垂直於平面的旋轉(圖片由Qualtré公司提供)

剛度的增加使體聲波陀螺儀在生產和現場運行過程中均不受靜摩擦力的影響，從而消除了現有基於平移的振動音叉架構中關於良品率和可靠性一個重大問題。在更高的頻率下工作可以進行高Q值模態匹配操作，從而實現出眾的旋轉靈敏度，同時無需大驅動位移振幅、高真空水平及力反饋架構。

圖1a顯示了一個在厚度為35μm的絕緣體上矽(SOI)襯底上實現的、直徑為600 μm的聲體波圓盤陀螺儀的SEM圖像[1]。該器件利用一對簡併面內「n=3」10MHz體聲波模態，檢測垂直於圓盤平面的旋轉信號(如圖1b所示)。

HARPSS：多功能、可擴展的製造平臺

基於MEMS的產品在演進過程中最重要的一方面，就是產品設計與生產設計之間的共生關係。就體聲波MEMS而言，體聲波傳感器設計的性能優勢通過利用高深寬比多晶與單晶矽結合(HARPSS)製造工藝的多功能性和可擴展性得以實現。實現體聲波圓盤陀螺儀設計，要求製造平臺無需採用昂貴的納米光刻技術，即可將橫向和垂向上的電容性氣隙均縮減到亞微米範圍。

圖2：由HARPSS工藝定義的體聲波陀螺儀中電容性氣隙SEM近景圖片(SEM圖像由Qualtré公司提供)。

HARPSS工藝能夠形成幾十微米厚且電容性氣隙自對準的電隔離多晶與單晶矽微結構。這種高深寬比電容性氣隙(如圖2所示)顯著提高了電容換能的效率，並且為振動矽微結構提供了有效的高頻率界面。該結構可在電容式MEMS器件中產生最高的信噪比，同時獲得出眾的噪聲密度，從而提高解析度。集動態範圍、偏置穩定性和抗振動性於一身的傳感器

在運動檢測中，許多應用會對較高和較低探測範圍提出各種要求。高爾夫模擬器就是其中之一，它要求傳感器不僅能夠探測到發球揮桿等劇烈動作，同時還能捕捉到打球入洞或切擊等細微動作。所謂動態範圍是指最大可探測信號與最小可探測信號之比。

體聲波陀螺儀的工作頻率和構造使之最大擁有±5000°/s的動態範圍和卓越的線性度(圖3)，因而設計人員可以基於單個傳感器設計方案創建出一系列廣泛的應用。這一特性對於遊戲平臺尤具吸引力，包括Wii遙控器等專用控制器或手機、平板電腦等頻繁更新其設計的多用途消費類遊戲平臺。

圖4.體聲波陀螺儀所測得的艾倫標準差曲線表明其偏置不穩定性為25°/h。

體聲波陀螺儀工作頻率範圍在標準CMOS接口電路的閃爍噪聲範圍之外，這能使檢測限制縮小。這將改進系統中的整體噪聲，從而產生如圖4所示的出眾的偏置漂移性能，圖中顯示了所測到的某個典型體聲波陀螺儀的艾倫標準差(root Allan deviation)曲線。

也許經過HARPSS製造工藝生產出來的體聲波陀螺儀最突出的性能優勢在於其抗隨機振動和抗衝擊性能。圖5將其與當今消費類市場上常見的音叉架構陀螺儀做了對比。

圖5.隨機振動和衝擊測試中陀螺儀輸出偏置漂移對比，顯示了體聲波技術相較現有音叉架構的優勢。

未來：功率更低、集成度更高以及更多創新

消費者要求產品不僅便攜而且可以隨時使用。這些無線產品只能通過電池供電，迫使設計人員始終將滿足性能需求、提高電池續航能力及減少尺寸/重量放在首位。功耗較小的器件在工程設計權衡中總是佔據一定優勢。體聲波陀螺儀的高頻率傳感器設計結合其高Q值機械增益和較小的驅動模態位移(低於20nm)，能夠產生最小的每軸功率。功耗的降低意味著電池續航時間更長，同時消費者對於各個類型的可穿戴設備或電池供電的手持式設備的接受程度也會更高。

對於更看重性能和魯棒性的工業和汽車應用來說，體聲波陀螺儀體現了抗振動性、低噪聲和線性度的完美結合。在汽車領域，防側翻等關鍵安全應用正成為主流，同時在先進駕駛員輔助系統(ADAS)中利用陀螺儀控制進行雷達定位等新應用也逐漸普及。例如，在工業生產領域，陀螺儀正在逐步成為機器人自適應位置控制系統的關鍵組成部分。這些應用需具備良好的性能和魯棒性，而體聲波技術在這兩方面頗具優勢。

當旋轉與其他形式的慣性感應相結合時，更多採用體聲波MEMS技術的動態應用可以從中受益。個人或無人駕駛汽車導向系統要求配備慣性測量單元(IMU)，即囊括了加速計、陀螺儀、壓力傳感器及磁力計等元件的組合器件。HARPSS處理技術常常被稱為MEMS的「CMOS」，它能將高性能三軸微陀螺儀與三軸微加速計，甚至還有三軸磁強計集成在同一襯底上，從而使IMU等器件擁有非常好的性能/尺寸/成本比。體聲波陀螺儀可以在接近大氣的條件下保持高Q值操作，因而不會限制同一平臺上的壓力傳感器和加速計等器件的性能。

除了導航功能外，IMU還具有6~9自由度的感應功能，因而可為醫療影像設備、外科手術器械及先進修復術等應用提供超精細解析度。此外，IMU也可以用於精度要求可能較低且近期之內沒有可用或實際解決方案的應用上。更具說服力的例子包括智能高爾夫球桿、網球拍及棒球棒等能跟蹤和記錄運動員揮拍/杆過程中的每個動作，從而有利於用戶完善球技。加速計會測量加速度、振動及揮動平面，而陀螺儀則會測量用戶在揮拍/杆過程中手的內轉或扭轉動作。每種運動通常都會有自己的應用，每秒最高能夠從傳感器處記錄到1000個數據點，並向用戶準確展示他們擊球的力度、速度和角度。甚至還有3D模型能夠展示整個揮拍/杆過程，從而分析出用戶的錯誤之處。每種運動都有專門針對相應需求定製的應用，它能記錄運動或練習過程中收集的數據，並通過藍牙將數據發送到智慧型手機或個人電腦上加以分析。

結論

採用當前尺寸的體聲波陀螺儀的獨特之處在於，其在提供低噪聲性能和大動態範圍及卓越線性度的同時，還具有卓越的抗溫度和機械衝擊/振動影響的能力，而且功耗也較低。該器件及其他基於HARPSS製造工藝的創新設計方案為系統提高集成度、減少尺寸、降低成本及降低複雜度提供了良好平臺。體聲波陀螺儀將會幫助設計工程師打造出此前無法實現的新產品，從而幫助他們在產品設計中實現創新，做到與眾不同。