基于厚感测质量的MEMS陀螺仪设计优化：提升灵敏度、带宽与噪声抑制的综合性能研究

本研究针对MEMS陀螺仪设计中参数孤立优化的问题，提出了一种集成灵敏度、带宽和噪声抑制的厚感测质量单质量块设计方法。通过理论建模与Coventorware/Simulink仿真验证，实现了52倍FOM（m Hz/dps2 mm2 ）提升，并利用DRIE工艺完成结构制备，为导航与智能机器系统提供了高性能解决方案。

　　

微机电系统（MEMS）陀螺仪作为惯性导航的核心传感器，其性能直接决定了自动驾驶、无人机等智能设备的定位精度。然而，传统设计往往陷入"参数跷跷板"困境——提升灵敏度会导致带宽缩窄，降低噪声又需牺牲尺寸效率。这种碎片化优化模式严重制约了MEMS陀螺仪在多场景下的适用性。更棘手的是，双质量块结构虽能部分缓解矛盾，却带来工艺复杂度和成本激增的新问题。

固态物理实验室（SSPL）与德里工学院的研究团队Shaveta、R.K. Bhan等人在《Micro and Nanostructures》发表的研究中，创新性地提出"厚感测质量单质量块"架构。通过建立包含机械灵敏度（M_r
）和刚度比（K_r
）的多参数优化模型，结合深反应离子刻蚀（DRIE）工艺实现的厚质量块结构，成功打破了性能参数间的相互制约。仿真显示该设计在3253 Hz工作频率下，FOM值达到传统设计的52倍，单位指标为m Hz/dps²
mm²
。

关键技术方法包括：1）基于模态分析的谐振频率匹配技术；2）Coventorware MEMS+构建三维参数化模型；3）Simulink系统级噪声仿真；4）DRIE工艺制备20μm厚硅质量块结构。

【Gyroscope theoretical model】
通过建立驱动模态（x轴）与感测模态（z轴）的耦合运动方程，推导出科里奥利力（Coriolis force）与质量块厚度的平方关系，理论证明厚质量块可同步提升信噪比（SNR）和带宽。

【Drive and sense frequency】
模态仿真显示驱动频率（3253 Hz）与感测频率（3287 Hz）间隔34 Hz，匹配误差<5%，优于ST微电子等商用器件（>100 Hz间隔）。

【Design validation with simulation】
Coventorware参数扫描表明，当质量块厚度增至20μm时，热机械噪声（thermomechanical noise）降低62%，灵敏度提升8.3倍。

【Comparison of FOM with literature】
横向对比显示，该设计FOM达9.7×10^-3
m Hz/dps²
mm²
，远超蝴蝶式陀螺仪（1.8×10^-4
）和音叉式设计（3.2×10^-4
）。

【Fabrication】
采用SOI晶圆与Bosch工艺交替刻蚀，实现20μm厚质量块的陡直侧壁（侧壁角度<89.5°），实测电容间隙误差控制在±0.12μm内。

这项研究的意义在于：首先，提出的"灵敏度-带宽"经验公式为MEMS陀螺仪设计提供了普适性指导原则；其次，验证了单质量块架构通过厚度优化即可实现双质量块的性能优势，大幅降低工艺复杂度；最后，52倍的FOM提升使得单个传感器可同时满足导航级精度与消费电子功耗需求。正如作者指出，该成果为下一代智能机器人的高精度运动感知提供了关键技术支撑。