中国人民解放军陆军工程大学的研究人员们针对MEMS蝶型陀螺仪提出了一种新方法，把应力给优化了，还提高了它的性能。这类微机电系统陀螺仪因为能做得很小、便宜、可靠，而且跟集成电路配合得好，所以在导航里用得挺多。虽然技术一直在进步，让它在恒温下的表现变得更强，但实际上大家用的时候周围的温度总是变来变去。热胀冷缩这事儿会让陀螺仪的频率、阻尼还有电容器的间距都变样，这就叫偏置误差。再加上有一种叫应变迟滞的效应，加热和冷却的时候结果不一样，就算用补偿算法也难彻底解决误差问题。据麦姆斯咨询报道，为了把这些影响给降到最低，大家从理论上弄明白了这种陀螺仪热应力是怎么产生的以及它的害处，好让以后的研究和实验能更有依据。 基于陀螺仪的工作原理，研究人员设计了一种新的悬臂板结构。他们通过仿真把应力给隔离了一下。这项研究发表在了Micromachines期刊上，题目叫“Research on the Method of Optimizing the Stress and Improving the Performance for MEMS Gyroscope Based on the Cantilever-Plate Structure”。这种陀螺仪的结构包含两个质量块，用振动梁连在一起。质量块里面有两个锚点，把带有电极的衬底给黏合住了。质量块和电极就组成了一对电容器，用来驱动机械结构和检测变化，间隙只有2微米。 他们还设计了驱动电极、感测电极和调谐电极这三种类型的电极。振动梁直接通过锚点连在电极层上。因为梁很细很窄，它的应力跟电极层的基本一样。电极层的应力主要是硅跟陶瓷外壳热膨胀不一样造成的。所以这个热应力模型可以简化成下面这样：降低热应力是抑制偏置滞后、提高全温段性能的有效办法。 根据这个简化模型和振动形态，研究人员提出并设计了一个悬臂板结构来隔离应力。这个结构放在陶瓷外壳和陀螺仪之间。底部用导电胶粘在陶瓷基底上，顶部通过悬臂板的凸台跟陀螺仪连在一起。主体部分是在硅基底上用深反应离子刻蚀（DRIE）工艺做出来的。为了不让陀螺仪直接碰外壳或者其他东西，在悬臂板上做了个凸台；背面还留了凹槽让它能变形。 为了验证效果，他们分别模拟了有和没有悬臂板结构时的热应力情况。结果发现加了之后作用在陀螺仪上的应力变小了346倍左右；平均电容器间隙误差也小了36倍多。他们还真的把这个结构做出来并跟陀螺仪整合在了一起做实验：把它装进陀螺仪后在整个温度范围内测试了一下频率变化和偏置稳定性。 结果显示频率变化降低了28.6%，偏置稳定性差不多提高了两倍。这说明这个悬臂板结构确实管用。这次研究主要解决了影响温变性能的关键问题——热应力；并据此推导了理论效应。实验结果证明在同样的温度变化下热应力确实会让频率漂移和偏置滞后变大很多。为了降低它设计了一种新型结构结合仿真优化了尺寸；结果显示加入这个优化后的结构后电容器间隙误差都大大减小了。最后制造并整合了这种结构后的性能测试结果也证明了热应力显著降低了偏置稳定性也提升了两倍多；这说明它能很好地提升MEMS蝶型陀螺仪的性能。论文链接：