體聲波陀螺儀傳感器引發(fā)慣性MEMS應(yīng)用新變革

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

陀螺儀技術(shù)的局限性

所有商用MEMS陀螺儀的基本原理均相同，即在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下同一結(jié)構(gòu)的兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)之間因科里奧利力發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移。指定旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生絕對(duì)加速度的基本運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系用于形成耦合微分方程，所得方程反過來又指定驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)下的運(yùn)動(dòng)。對(duì)所得方程進(jìn)行求解后，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(qū)動(dòng)模態(tài)位移振幅(xDRV)之間的關(guān)系表達(dá)式。

從這個(gè)方程式中可以明顯看出，旋轉(zhuǎn)靈敏度會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)模態(tài)位移振幅的增加而增加。然而，由于功率限制增加，大驅(qū)動(dòng)振幅主要依靠器件整體剛度(即工作頻率)的減小來實(shí)現(xiàn)。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(dòng)陀螺儀對(duì)振動(dòng)和沖擊的耐受性能，同時(shí)還造成其模態(tài)匹配優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮。該優(yōu)勢(shì)指的是旋轉(zhuǎn)靈敏度對(duì)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的依賴程度，如下列在兩個(gè)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(jī)械放大，現(xiàn)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(dá)到這樣的真空水平通常會(huì)耗費(fèi)較高的成本，而且還必須實(shí)施復(fù)雜的大功耗力反饋操作來解決開環(huán)帶寬限制(ωSNS/ 2QSNS)問題。

體聲波陀螺儀技術(shù)簡介

針對(duì)目前普遍存在的局限性，佐治亞理工學(xué)院集成MEMS(GT-IMEMS)實(shí)驗(yàn)室基于圓盤簡并體聲波模態(tài)開發(fā)了一種全新的MEMS振動(dòng)陀螺儀。BAW陀螺儀依賴兩種簡并BAW模態(tài)(工作頻率一般在1MHz~10MHz范圍內(nèi))之間的能量轉(zhuǎn)移來運(yùn)行。

圖1b：“n=3”面內(nèi)簡并BAW模態(tài)的可視化表示用于檢測(cè)垂直于平面的旋轉(zhuǎn)(圖片由Qualtré公司提供)

剛度的增加使體聲波陀螺儀在生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程中均不受靜摩擦力的影響，從而消除了現(xiàn)有基于平移的振動(dòng)音叉架構(gòu)中關(guān)于良品率和可靠性一個(gè)重大問題。在更高的頻率下工作可以進(jìn)行高Q值模態(tài)匹配操作，從而實(shí)現(xiàn)出眾的旋轉(zhuǎn)靈敏度，同時(shí)無需大驅(qū)動(dòng)位移振幅、高真空水平及力反饋架構(gòu)。

圖1a顯示了一個(gè)在厚度為35μm的絕緣體上硅(SOI)襯底上實(shí)現(xiàn)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(duì)簡并面內(nèi)“n=3”10MHz體聲波模態(tài)，檢測(cè)垂直于圓盤平面的旋轉(zhuǎn)信號(hào)(如圖1b所示)。

HARPSS：多功能、可擴(kuò)展的制造平臺(tái)

基于MEMS的產(chǎn)品在演進(jìn)過程中最重要的一方面，就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)之間的共生關(guān)系。就體聲波MEMS而言，體聲波傳感器設(shè)計(jì)的性能優(yōu)勢(shì)通過利用高深寬比多晶與單晶硅結(jié)合(HARPSS)制造工藝的多功能性和可擴(kuò)展性得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)體聲波圓盤陀螺儀設(shè)計(jì)，要求制造平臺(tái)無需采用昂貴的納米光刻技術(shù)，即可將橫向和垂向上的電容性氣隙均縮減到亞微米范圍。

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(duì)準(zhǔn)的電隔離多晶與單晶硅微結(jié)構(gòu)。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，并且為振動(dòng)硅微結(jié)構(gòu)提供了有效的高頻率界面。該結(jié)構(gòu)可在電容式MEMS器件中產(chǎn)生最高的信噪比，同時(shí)獲得出眾的噪聲密度，從而提高分辨率。集動(dòng)態(tài)范圍、偏置穩(wěn)定性和抗振動(dòng)性于一身的傳感器

在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中，許多應(yīng)用會(huì)對(duì)較高和較低探測(cè)范圍提出各種要求。高爾夫模擬器就是其中之一，它要求傳感器不僅能夠探測(cè)到發(fā)球揮桿等劇烈動(dòng)作，同時(shí)還能捕捉到打球入洞或切擊等細(xì)微動(dòng)作。所謂動(dòng)態(tài)范圍是指最大可探測(cè)信號(hào)與最小可探測(cè)信號(hào)之比。

體聲波陀螺儀的工作頻率和構(gòu)造使之最大擁有±5000°/s的動(dòng)態(tài)范圍和卓越的線性度(圖3)，因而設(shè)計(jì)人員可以基于單個(gè)傳感器設(shè)計(jì)方案創(chuàng)建出一系列廣泛的應(yīng)用。這一特性對(duì)于游戲平臺(tái)尤具吸引力，包括Wii遙控器等專用控制器或手機(jī)、平板電腦等頻繁更新其設(shè)計(jì)的多用途消費(fèi)類游戲平臺(tái)。

圖4.體聲波陀螺儀所測(cè)得的艾倫標(biāo)準(zhǔn)差曲線表明其偏置不穩(wěn)定性為25°/h。

體聲波陀螺儀工作頻率范圍在標(biāo)準(zhǔn)CMOS接口電路的閃爍噪聲范圍之外，這能使檢測(cè)限制縮小。這將改進(jìn)系統(tǒng)中的整體噪聲，從而產(chǎn)生如圖4所示的出眾的偏置漂移性能，圖中顯示了所測(cè)到的某個(gè)典型體聲波陀螺儀的艾倫標(biāo)準(zhǔn)差(root Allan deviation)曲線。

也許經(jīng)過HARPSS制造工藝生產(chǎn)出來的體聲波陀螺儀最突出的性能優(yōu)勢(shì)在于其抗隨機(jī)振動(dòng)和抗沖擊性能。圖5將其與當(dāng)今消費(fèi)類市場(chǎng)上常見的音叉架構(gòu)陀螺儀做了對(duì)比。

圖5.隨機(jī)振動(dòng)和沖擊測(cè)試中陀螺儀輸出偏置漂移對(duì)比，顯示了體聲波技術(shù)相較現(xiàn)有音叉架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

未來：功率更低、集成度更高以及更多創(chuàng)新

消費(fèi)者要求產(chǎn)品不僅便攜而且可以隨時(shí)使用。這些無線產(chǎn)品只能通過電池供電，迫使設(shè)計(jì)人員始終將滿足性能需求、提高電池續(xù)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(shè)計(jì)權(quán)衡中總是占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)。體聲波陀螺儀的高頻率傳感器設(shè)計(jì)結(jié)合其高Q值機(jī)械增益和較小的驅(qū)動(dòng)模態(tài)位移(低于20nm)，能夠產(chǎn)生最小的每軸功率。功耗的降低意味著電池續(xù)航時(shí)間更長，同時(shí)消費(fèi)者對(duì)于各個(gè)類型的可穿戴設(shè)備或電池供電的手持式設(shè)備的接受程度也會(huì)更高。

對(duì)于更看重性能和魯棒性的工業(yè)和汽車應(yīng)用來說，體聲波陀螺儀體現(xiàn)了抗振動(dòng)性、低噪聲和線性度的完美結(jié)合。在汽車領(lǐng)域，防側(cè)翻等關(guān)鍵安全應(yīng)用正成為主流，同時(shí)在先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)中利用陀螺儀控制進(jìn)行雷達(dá)定位等新應(yīng)用也逐漸普及。例如，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，陀螺儀正在逐步成為機(jī)器人自適應(yīng)位置控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。這些應(yīng)用需具備良好的性能和魯棒性，而體聲波技術(shù)在這兩方面頗具優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)與其他形式的慣性感應(yīng)相結(jié)合時(shí)，更多采用體聲波MEMS技術(shù)的動(dòng)態(tài)應(yīng)用可以從中受益。個(gè)人或無人駕駛汽車導(dǎo)向系統(tǒng)要求配備慣性測(cè)量單元(IMU)，即囊括了加速計(jì)、陀螺儀、壓力傳感器及磁力計(jì)等元件的組合器件。HARPSS處理技術(shù)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(jì)，甚至還有三軸磁強(qiáng)計(jì)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(huì)限制同一平臺(tái)上的壓力傳感器和加速計(jì)等器件的性能。

除了導(dǎo)航功能外，IMU還具有6~9自由度的感應(yīng)功能，因而可為醫(yī)療影像設(shè)備、外科手術(shù)器械及先進(jìn)修復(fù)術(shù)等應(yīng)用提供超精細(xì)分辨率。此外，IMU也可以用于精度要求可能較低且近期之內(nèi)沒有可用或?qū)嶋H解決方案的應(yīng)用上。更具說服力的例子包括智能高爾夫球桿、網(wǎng)球拍及棒球棒等能跟蹤和記錄運(yùn)動(dòng)員揮拍/桿過程中的每個(gè)動(dòng)作，從而有利于用戶完善球技。加速計(jì)會(huì)測(cè)量加速度、振動(dòng)及揮動(dòng)平面，而陀螺儀則會(huì)測(cè)量用戶在揮拍/桿過程中手的內(nèi)轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)動(dòng)作。每種運(yùn)動(dòng)通常都會(huì)有自己的應(yīng)用，每秒最高能夠從傳感器處記錄到1000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并向用戶準(zhǔn)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(gè)揮拍/桿過程，從而分析出用戶的錯(cuò)誤之處。每種運(yùn)動(dòng)都有專門針對(duì)相應(yīng)需求定制的應(yīng)用，它能記錄運(yùn)動(dòng)或練習(xí)過程中收集的數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)或個(gè)人電腦上加以分析。

結(jié)論

采用當(dāng)前尺寸的體聲波陀螺儀的獨(dú)特之處在于，其在提供低噪聲性能和大動(dòng)態(tài)范圍及卓越線性度的同時(shí)，還具有卓越的抗溫度和機(jī)械沖擊/振動(dòng)影響的能力，而且功耗也較低。該器件及其他基于HARPSS制造工藝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案為系統(tǒng)提高集成度、減少尺寸、降低成本及降低復(fù)雜度提供了良好平臺(tái)。體聲波陀螺儀將會(huì)幫助設(shè)計(jì)工程師打造出此前無法實(shí)現(xiàn)的新產(chǎn)品，從而幫助他們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，做到與眾不同。