環耦合微機電陀螺儀之設計與實現

仁頡 ； 李銘晃 ； 陳政吉 ； 陳昭瑜 ； 李承勳 ； 李昇憲 ； 劉峻佑

《微系統暨奈米科技協會會刊》 34期 (2015/11) Pp. 28-32

摘要

本研究主要貢獻為開發一款頻率在130 kHz之退化型(Degenerate)環狀模態之環耦合微機電陀螺儀，並搭配輔助式之傳感器陣列來提高陀螺儀的敏感度以及模態匹配操作的相容性。本研究主要藉由一種慣用的兩道光罩微製程，使用3 μm厚(100)結構層之SOI晶圓來實現陀螺儀的各項參數與功能。為了降低後端感測電路的雜訊，本研究所設計之輔助型傳感器陣列於驅動模態上的最大位移處來達到較大之機電耦合效應，而其同時位於感測模態之節點處，以降低其他模態及正交誤差發生的可能性。我們透過圓環之三葉形(n = 3)模態有效緩解單晶矽上的裂頻效應(Split Mode)，本研究因此成功量測在設計頻率130 kHz下其裂頻僅有225 ppm的極佳性能,對於Mode Matching提供一良好的基礎。本研究也成功量測陀螺儀之品質因數，在真空下高達10,000，並且在一般大氣條件下保有30-60的水準；因此在真空中僅需3V就能夠使陀螺儀起振達到驅動的效果(在空氣中約為27V)。最後陀螺儀結構與後端感測電路整合，在空氣中之 靈敏度為2.2mV/°/s，而解析度為0.26°/s。我們以現有量測結果(一大氣壓下)預測,若使用真空封裝，此種陀螺儀設計之性能可接近Tactical Grade的陀螺儀水準。

關鍵字

陀螺儀 ； 微機電 ； 環耦合 ； 傳感器陣列 ； 頻率匹配