一種基于FIB刻蝕的MEMS陀螺修調(diào)方法

劉宇航，周 斌，張 嶸，張瑞雪

（1. 清華大學(xué) 精密儀器系，北京 100084；2. 中國(guó)兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所，北京 100089）

一種基于FIB刻蝕的MEMS陀螺修調(diào)方法

劉宇航1，周 斌1，張 嶸1，張瑞雪2

（1. 清華大學(xué) 精密儀器系，北京 100084；2. 中國(guó)兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所，北京 100089）

受微加工工藝條件限制，MEMS傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)總是偏離設(shè)計(jì)值，使其性能水平難以滿足高精度應(yīng)用的要求。為了抑制一種MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)的加工誤差，分析了其主要運(yùn)動(dòng)模態(tài)的特性以及耦合誤差的主要來(lái)源，提出了通過(guò)FIB刻蝕手段對(duì)陀螺十字型梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行修調(diào)的方法，并對(duì)修調(diào)前后陀螺的耦合誤差以及誤差的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了分析比較。對(duì)陀螺性能的測(cè)試結(jié)果表明，兩種FIB刻蝕方式分別使陀螺零偏誤差比修調(diào)前降低約35% 和72% ，而誤差的溫度穩(wěn)定性則分別提高了80%和55%，證明修調(diào)方法能夠抑制陀螺誤差、提升陀螺的性能。

MEMS陀螺；FIB刻蝕；零偏誤差；修調(diào)

MEMS陀螺在汽車(chē)穩(wěn)定系統(tǒng)、個(gè)人娛樂(lè)設(shè)備、智能手機(jī)等對(duì)精度要求較低的領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用[1]。在軍用領(lǐng)域，MEMS陀螺目前已應(yīng)用于一些低精度場(chǎng)合，但在中、高精度場(chǎng)合，MEMS陀螺的性能水平尚不能滿足應(yīng)用需求，主要問(wèn)題是MEMS陀螺的環(huán)境適應(yīng)性如零偏溫度漂移、力學(xué)敏感性較差[2]。這些缺點(diǎn)主要源于微加工工藝限制造成的陀螺結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計(jì)理想值存在偏差，因此亟需發(fā)展可以有效改善由加工誤差造成的陀螺缺陷的修調(diào)方法。

密歇根大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種基于飛秒激光的 MEMS諧振器的頻率微調(diào)方案，通過(guò)對(duì)諧振器敏感質(zhì)量進(jìn)行刻蝕可以改變諧振器沿該方向振動(dòng)的諧振頻率[3]；美國(guó)BEI公司的研究人員通過(guò)激光對(duì)一種音叉式陀螺的叉枝刻蝕從而在加工位置去除一定質(zhì)量，使刻蝕后陀螺的耦合誤差減小[4]；最近國(guó)內(nèi)北京理工大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)也研究了基于納秒和飛秒激光的 MEMS陀螺修調(diào)方法，修調(diào)后陀螺的零偏誤差比修調(diào)前明顯降低，性能得到提升[5-6]。這些修調(diào)方法利用激光脈沖對(duì)指定位置進(jìn)行刻蝕，從而改變傳感器的輸出。而本文介紹了一種基于FIB（Focused Ion Beam，聚焦離子束）技術(shù)的MEMS陀螺修調(diào)方法，通過(guò)刻蝕陀螺梁結(jié)構(gòu)改變陀螺主要運(yùn)動(dòng)方向的整體剛度對(duì)稱(chēng)性或梁結(jié)構(gòu)局部的對(duì)稱(chēng)性，修調(diào)后既可抑制陀螺的耦合誤差又可提升耦合誤差的溫度穩(wěn)定性。此外，F(xiàn)IB系統(tǒng)自身集成了極佳的SEM成像功能，更適合對(duì)MEMS陀螺上微小結(jié)構(gòu)的精細(xì)修調(diào)加工。

1 一種線振動(dòng)MEMS陀螺的基本結(jié)構(gòu)和主要誤差模型

一種線振動(dòng)式MEMS陀螺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MEMS陀螺整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Layout of the MEMS gyroscope

為使陀螺驅(qū)動(dòng)方向的振幅達(dá)到最大，通常工作在驅(qū)動(dòng)方向諧振頻率附近[7]（ ω≈ ωy），即：

式中，分子部分如果不為0，則陀螺x、y方向之間存在哥氏力之外的耦合作用。對(duì)圖1陀螺結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析解得：

Fy對(duì)x方向的力耦合以及x、y方向之間其它形式的阻尼耦合作用則構(gòu)成了式(3)分子部分的虛部，這些因素通常在量級(jí)上小于構(gòu)成實(shí)部的耦合因素。因此FIB刻蝕的目的是抑制陀螺產(chǎn)生耦合誤差作用的主要因素，即式(3)分子的實(shí)部部分，使陀螺的運(yùn)動(dòng)特性更接近于理想狀態(tài)。

圖2 陀螺梁結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of a beam of the MEMS gyroscope

2 MEMS陀螺的FIB修調(diào)方法

2.1 FIB加工系統(tǒng)

FIB（聚焦離子束）技術(shù)利用電透鏡將Ga離子聚焦成直徑非常小的離子束。這種離子束通過(guò)物理碰撞改變樣品形貌從而對(duì)樣品表面加工[8]。Tescan公司的FIB加工系統(tǒng)如圖3所示。

實(shí)際使用時(shí)通過(guò)電子束進(jìn)行觀察，并使用離子束對(duì)所見(jiàn)位置樣品進(jìn)行刻蝕加工。由于聚焦后離子束的直徑小至幾十至幾百納米，因此在樣品表面可實(shí)現(xiàn)極佳的加工精度。

圖3 FIB加工系統(tǒng)Fig.3 FIB micro-machining system

2.2 FIB刻蝕抑制陀螺耦合誤差的原理

刻蝕陀螺梁結(jié)構(gòu)會(huì)改變其剛度，考察式(3)的分子部分作為陀螺修調(diào)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即x、y方向之間的的耦合誤差系數(shù)：

圖4 對(duì)稱(chēng)式刻蝕和不對(duì)稱(chēng)式刻蝕方式Fig.4 Symmetric and asymmetric etching

3 FIB刻蝕試驗(yàn)結(jié)果

3.1 對(duì)稱(chēng)式FIB刻蝕

圖5 MEMS陀螺的FIB修調(diào)流程圖Fig.5 Flow chart of MEMS gyro’s FIB etching process

圖6 25℃時(shí) Kc/y方向剛度誤差與刻蝕次數(shù)之間的關(guān)系Fig.6 K c/stiffness errors of y axis vs. etching times at 25℃

3.2 不對(duì)稱(chēng)式FIB刻蝕

從圖6(b)中可以看出，由于非對(duì)稱(chēng)刻蝕方式對(duì)陀螺 y方向梁的總剛度改變是一致的，所以刻蝕后#23號(hào)陀螺y方向剛度誤差的變化比#12號(hào)陀螺的變化量小，經(jīng)各次刻蝕后其值均約為-7.5 N/m；而刻蝕后 Kc從刻蝕前的 1.14 N/m降低至第五次刻蝕后的 0.32 N/m，說(shuō)明這種不對(duì)稱(chēng)式FIB修調(diào)可以抑制#23號(hào)陀螺的誤差耦合作用。

3.3 FIB刻蝕對(duì)陀螺溫度穩(wěn)定性的影響

根據(jù)式(9)， Kc是陀螺結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，而如剛度、氣體阻尼等主要參數(shù)均與其所處的環(huán)境因素（如氣壓、溫度等）有關(guān)[9]。MEMS陀螺工作環(huán)境的溫度是一種重要的環(huán)境因素，研究陀螺耦合誤差的溫度穩(wěn)定性對(duì)提高陀螺性能具有重要意義。

進(jìn)行陀螺性能測(cè)試時(shí)，利用溫度控制裝置將測(cè)試溫度分別控制在5個(gè)不同值：25℃、35℃、45℃、55℃，65℃，這樣既可測(cè)試同一溫度的 Kc與刻蝕次數(shù)之間的關(guān)系，又能測(cè)試經(jīng)過(guò)各次刻蝕后 Kc隨溫度變化的關(guān)系。陀螺溫度特性的測(cè)試裝置如圖7所示，它主要由TEC半導(dǎo)體制冷片、溫度傳感器、溫度控制電路和散熱裝置組成。制冷片表面的溫度受溫控電路控制，而測(cè)試陀螺與制冷片接觸一段時(shí)間后，其溫度逐漸與制冷片表面溫度一致，而陀螺的另一面與測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)接，所以系統(tǒng)可在不同溫度下方便地對(duì)陀螺運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)各次刻蝕后不同測(cè)試溫度條件下的 Kc值進(jìn)行一次擬合，即可得到其溫度系數(shù)與刻蝕次數(shù)之間的關(guān)系，如表1所示。FIB刻蝕對(duì)陀螺耦合誤差的溫度穩(wěn)定性具有明顯影響。由于陀螺耦合誤差各組成部分自身的溫度特性不同，修調(diào)后該值的變化和其溫度系數(shù)的變化并不完全一致：即當(dāng) Kc的值達(dá)到最小時(shí)，其溫度系數(shù)并未達(dá)到最?。环粗?，當(dāng)溫度系數(shù)處于最小值時(shí) Kc的值卻未達(dá)到最小。

圖7 陀螺溫度特性測(cè)試裝置Fig.7 Testing system of gyro’s thermal characteristics

分析表1可知，#12號(hào)陀螺經(jīng)過(guò)三次刻蝕后其溫度穩(wěn)定性達(dá)到最好，溫度系數(shù)的絕對(duì)值比刻蝕前降低約80%；而#23號(hào)陀螺經(jīng)過(guò)2次刻蝕后比刻蝕前降低約55 %。

測(cè)試結(jié)果表明，適當(dāng)選取FIB刻蝕參數(shù)，可降低測(cè)試陀螺耦合誤差的溫度敏感性，提高陀螺對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性。

表1 FIB刻蝕與Kc 溫度系數(shù)之間的關(guān)系Fig.1 Relation between Kc’s temperature coefficients and FIB etching

4 結(jié) 論

本文從MEMS陀螺的誤差模型入手，推導(dǎo)了耦合誤差系數(shù) Kc。該系數(shù)體現(xiàn)了由微加工工藝缺陷所造成的陀螺非理想運(yùn)動(dòng)特性，其中，梁結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)與設(shè)計(jì)值之間的偏差是耦合誤差產(chǎn)生的主要原因。為了抑制這種有害的非哥氏力耦合，通過(guò)FIB對(duì)陀螺y方向的梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕加工。試驗(yàn)證明改變被刻蝕梁的剛度可以抑制x、y方向之間的耦合誤差，提高刻蝕后陀螺誤差的環(huán)境穩(wěn)定性。

由于缺乏精密的控制方式，F(xiàn)IB修調(diào)在消除陀螺原有結(jié)構(gòu)缺陷的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)由刻蝕誤差造成的新的缺陷，使最終的修調(diào)效果受到負(fù)面影響。因此，未來(lái)將繼續(xù)研究更精密地控制加工區(qū)域的手段，進(jìn)一步提高陀螺的修調(diào)精度。

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A trimming method for MEMS gyroscopes by focused ion beam etching

LIU Yu-hang1, Zhou Bin1, ZHANG Rong1, ZHANG Rui-xue2
(1. Department of Precision Instrument, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Navigation and Control Technology Research Institute, Norinco Group, Beijing 100089, China)

Due to deficiency in micro-machining processes, the structural parameters of MEMS sensors are usually deviated from their designed values and failed to meet the requirement of high-precision applications. In order to suppress the fabrication errors of MEMS gyroscopes, their primary modes of motions and the sources of coupling errors were analyzed. A trimming method by FIB etching on gyro’s folded-beams was also developed. Moreover, the performance tests of gyroscopes before and after trimming were conducted. Test results show that the zero-rate outputs were reduced by 35% and 72%, while the bias’ stability over temperature were increased by 80% and 55% respectively, after trimmed by two FIB etching strategies, which confirm the effectiveness of FIB trimming in suppressing the errors and improving the performance of gyroscopes.

MEMS gyroscope; focused ion beam etching; zero-rate output; trimming

1005-6734(2014)05-0660-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.05.020

V241.53

A

總裝備部慣性預(yù)研項(xiàng)目（51309010301）

劉宇航（1986—），男，博士研究生，從事組慣性傳感器研究。E-mail：yuhang1986@gmail.com

聯(lián) 系 人：張嶸（1969—），男，研究員，博士生導(dǎo)師。E-mail：rongzh@mail.tsinghua.edu.cn