[00317406]高精度MEMS陀螺仪

一、项目简介

陀螺仪是一种将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比电信号的测速装置。伴随着微机电系统（MEMS）技术的发展，20世纪90年代初诞生了基于哥氏效应的电容式MEMS陀螺仪，实现了小型化和批量化的目标。相比于传统商业化的光学以及动力调谐陀螺，具有成本低、体积小、重量轻、功耗小和容易集成等优点，广泛应用于电子消费类产品中。

我国微机械电容式MEMS陀螺仪研究起步较晚，与国外同类型陀螺仪还存在不小差距。制约国内微机械陀螺仪整体性能的关键原因是传感器精度低、稳定性差，易受到正交耦合误差与漂移误差的影响。本项目基于对陀螺仪性能的影响因素的来源及其相互作用关系的分析，为实现高性能电容式MEMS陀螺仪必须突破如下两个方面的关键技术：一是高谐振频率、大品质因数谐振器结构的获得是实现高性能MEMS陀螺仪的基础，二是强环境免疫能力的结构设计和工艺方案是实现高性能MEMS陀螺仪的保证。

二、技术成熟度

团队在过去十年里一直从事高精度硅微机械陀螺仪的研究，已经实现了电容式和隧道式陀螺仪原理样机的设计制作，开发了相应的电路；实践并掌握相关微工艺技术；研究了信号驱动与检测技术。课题组已经具备开展MEMS陀螺仪的基本硬件和软件条件。积累了丰富的陀螺仪开发经验，掌握了单质量块陀螺仪结构设计及整体结构的工艺研究、温度补偿模型及工艺实现、敏感元件的封装、传感器温度模型、多参数测试平台搭建及相关检测电路的设计、传感器样机、性能测试及其他关键核心技术。开展高固有频率、大品质因数以及全解耦结构方案设计优化、平衡振动结构组合、抗冲击稳定性、温度效应抑制等核心技术的研究工作，突破温度钝化涂层、硅/硅真空封装等关键工艺技术壁垒；构建多参数测试的陀螺敏感元件测试系统，揭示各参数对陀螺性能的影响机制及规律，掌握温度以及偏置稳定性等补偿算法与技术；研究陀螺振动/冲击、噪声干扰机理。为高性能电容式MEMS陀螺仪的型号应用、产业化奠定坚实的基础。产品主要技术特点和技术参数：品质因子：≥50000；偏置稳定性优于1°/hr，驱动与检测谐振频率温漂低于50ppm/°C，温度适应范围：-40°C~80°C，全温度零位漂移0.05°/s，g敏感度优于0.03°/s/g。产品性能可靠，技术成熟。

三、应用范围

源于导航系统对体积、隐蔽性以及高可靠性的要求，基于惯性原理的电容式MEMS陀螺仪在航天航空领域具有广阔的应用市场，特别是在卫星、武器和火箭姿态控制系统（AHRS）中有着极大的需求，如美国、俄罗斯、法国在航空航天领域、潜水武器中都已经开始装备基于高性能电容式MEMS陀螺仪的面向飞行器姿态测试、特别是短程战术级武器等领域的惯性导航系统。此外，个人电子产品，日常生活中如汽车导航、相机防抖、无人机姿态调整等领域也获得了非常广泛的应用。

四、投产条件和预期经济效益

高性能电容式MEMS陀螺仪是航天航空尤其以战术级武器等短程飞行器自主姿态导航的关键元件，是关系到我国发展航空航天、国防事业的战略性关键传感器。高精度、高稳定性、强环境适应性的电容式MEMS式陀螺仪的价格高昂，因为芯片制作难度及装配难度高，工艺费用昂贵，合格率低。美国MEMS应用于战术级武器的惯性导航系统中高精度电容式MEMS陀螺售价高达到3000美元/只。而国内战术武器、水下兵器等每年需要高精度陀螺仪传感器约10000支，按18000元/只计算，可获年产1.8亿元；国内惯性导航试验所需约800支，按20000元/只，可获年产值约1600万元。该类高精度电容式陀螺仪也可替代目前面向工业自动化控制领域和汽车领域的国外进口中高端陀螺仪，其市场规模总额在2012年就达到了2亿大关。

目前，国内的深迪半导体、北京中星环宇科技、中航三江集团等陀螺仪生产厂家主要生产面向是消费类电子低端MEMS陀螺仪或者高成本、大体积的光学陀螺仪，应用于航空领域的低价格、高性能电容式陀螺仪目前暂无成熟产品问世，本项目对MEMS陀螺仪核心关键技术的研究和解决，以及更高精度陀螺仪的开发极具推广价值，其产品将在国内和国际市场竞争中脱颖而出。该类高精度陀螺仪也可替代目前面向工业自动化控制领域和汽车领域的国外进口中高端陀螺仪，其市场规模广阔。

五、合作方式

技术转让，具体合作方式可商议。