现在工程师所规划的许多体系和产品中都包含有微机电体系(MEMS)传感器，特别是MEMS陀螺仪等要害元器材。这些运用品种繁复，从便携式设备、可穿戴设备到工业机器人、要害的轿车安全体系等一应俱全。它们对低功率、小尺度、环境耐受性及低本钱等提出了越来越高的要求。为满意这些需求，现在的规划工程师正在考虑新的处理方案，一起也在寻求能将理论与实践相结合并能将实验室与出产线相连接的新合作伙伴。他们想要寻求立异和构成规划。
而被称之为体声波(BAW)的新一代立异MEMS技能正为这些问题供给了处理方案。体声波技能正被用于开发一类全新的固态MEMS陀螺仪，其不只能很好满意低功率、小尺度、低本钱及高产量等要求，一起还进步了产品的全体功用。
陀螺仪技能的局限性
一切商用MEMS陀螺仪的根本原理均相同，即在旋转状态下同一结构的两个振荡模态之间因科里奥利力发生的能量转移。指定旋转发生绝对加快度的根本运动学联系用于构成耦合微分方程，所得方程反过来又指定驱动振荡模态和检测振荡模态下的运动。对所得方程进行求解后，可以得到下述陀螺仪灵敏度(xSNS/Ω)与作业频率(ωDRV、ωSNS)、Q值(Q)及驱动模态位移振幅(xDRV)之间的联系表达式。
从这个方程式中可以显着看出，旋转灵敏度会跟着驱动模态位移振幅的添加而添加。但是，因为功率约束添加，大驱动振幅首要依托器材全体刚度(即作业频率)的减小来完成。因此，市面上出售的陀螺仪作业频率都在5kHz~50kHz之间。但这样的作业频率不只约束了MEMS振荡陀螺仪对振荡和冲击的耐受功用，一起还构成其模态匹配优势难以发挥。该优势指的是旋转灵敏度对机械品质因数的依靠程度，如下列在两个作业频率相同(ωDRV = ωSNS)的特别情况下的方程式所示[1]：
为了取得挨近20~50k的机械扩大，现有的MEMS陀螺仪必须在高真空条件下作业，以消除空气阻尼的影响。要到达这样的真空水平一般会消耗较高的本钱，并且还必须施行杂乱的大功耗力反馈操作来处理开环带宽约束(ωSNS/ 2QSNS)问题。
体声波陀螺仪技能简介
针对现在普遍存在的局限性，佐治亚理工学院集成MEMS(GT-IMEMS)实验室根据圆盘简并体声波模态开发了一种全新的MEMS振荡陀螺仪。BAW陀螺仪依靠两种简并BAW模态(作业频率一般在1MHz~10MHz规模内)之间的能量转移来运转。
图1b：“n=3”面内简并BAW模态的可视化标明用于检测垂直于平面的旋转(图片由Qualtré公司供给)
刚度的添加使体声波陀螺仪在出产和现场运转进程中均不受静摩擦力的影响，然后消除了现有根据平移的振荡音叉架构中关于良品率和可靠性一个重大问题。在更高的频率下作业可以进行高Q值模态匹配操作，然后完成拔尖的旋转灵敏度，一起无需大驱动位移振幅、高真空水平及力反馈架构。
图1a显现了一个在厚度为35μm的绝缘体上硅(SOI)衬底上完成的、直径为600 μm的声体波圆盘陀螺仪的SEM图画[1]。该器材运用一对简并面内“n=3”10MHz体声波模态，检测垂直于圆盘平面的旋转信号(如图1b所示)。
HARPSS：多功用、可扩展的制作渠道
根据MEMS的产品在演进进程中最重要的一方面，便是产品规划与出产规划之间的共生联系。就体声波MEMS而言，体声波传感器规划的功用优势经过运用深邃宽比多晶与单晶硅结合(HARPSS)制作工艺的多功用性和可扩展性得以完成。完成体声波圆盘陀螺仪规划，要求制作渠道无需选用贵重的纳米光刻技能，即可将横向和垂向上的电容性气隙均缩减到亚微米规模。
图2：由HARPSS工艺界说的体声波陀螺仪中电容性气隙SEM近景图片(SEM图画由Qualtré公司供给)。
HARPSS工艺可以构成几十微米厚且电容性气隙自对准的电阻隔多晶与单晶硅微结构。这种深邃宽比电容性气隙(如图2所示)明显进步了电容换能的功率，并且为振荡硅微结构供给了有用的高频率界面。该结构可在%&&&&&%式MEMS器材中发生最高的信噪比，一起取得拔尖的噪声密度，然后进步分辨率。集动态规模、偏置稳定性和抗振荡性于一身的传感器
在运动检测中，许多运用会对较高和较低勘探规模提出各种要求。高尔夫模拟器便是其中之一，它要求传感器不只可以勘探到发球挥杆等剧烈动作，一起还能捕捉到打球入洞或切击等纤细动作。所谓动态规模是指最大可勘探信号与最小可勘探信号之比。
体声波陀螺仪的作业频率和结构使之最大具有±5000°/s的动态规模和杰出的线性度(图3)，因此规划人员可以根据单个传感器规划方案创建出一系列广泛的运用。这一特性关于游戏渠道尤具吸引力，包含Wii遥控器等专用操控器或手机、平板电脑等频频更新其规划的多用途消费类游戏渠道。
图4.体声波陀螺仪所测得的艾伦规范差曲线标明其偏置不稳定性为25°/h。
体声波陀螺仪作业频率规模在规范CMOS接口电路的闪耀噪声规模之外，这能使检测约束缩小。这将改善体系中的全体噪声，然后发生如图4所示的拔尖的偏置漂移功用，图中显现了所测到的某个典型体声波陀螺仪的艾伦规范差(root Allan deviation)曲线。
或许经过HARPSS制作工艺出产出来的体声波陀螺仪最杰出的功用优势在于其抗随机振荡和抗冲击功用。图5将其与当今消费类市场上常见的音叉架构陀螺仪做了比照。
图5.随机振荡和冲击测验中陀螺仪输出偏置漂移比照，显现了体声波技能相较现有音叉架构的优势。
未来：功率更低、集成度更高以及更多立异
顾客要求产品不只便携并且可以随时运用。这些无线产品只能经过电池供电，迫使规划人员始终将满意功用需求、进步电池续航才能及削减尺度/分量放在首位。功耗较小的器材在工程规划权衡中总是占有必定优势。体声波陀螺仪的高频率传感器规划结合其高Q值机械增益和较小的驱动模态位移(低于20nm)，可以发生最小的每轴功率。功耗的下降意味着电池续航时刻更长，一起顾客关于各个类型的可穿戴设备或电池供电的手持式设备的承受程度也会更高。
关于更垂青功用和鲁棒性的工业和轿车运用来说，体声波陀螺仪表现了抗振荡性、低噪声和线性度的完美结合。在轿车范畴，防侧翻等要害安全运用正成为干流，一起在先进驾驶员辅佐体系(ADAS)中运用陀螺仪操控进行雷达定位等新运用也逐渐遍及。例如，在工业出产范畴，陀螺仪正在逐渐成为机器人自适应方位操控体系的要害组成部分。这些运用需具有杰出的功用和鲁棒性，而体声波技能在这两方面颇具优势。
当旋转与其他方式的惯性感应相结合时，更多选用体声波MEMS技能的动态运用可以从中获益。个人或无人驾驶轿车导向体系要求装备惯性丈量单元(IMU)，即包含了加快计、陀螺仪、压力传感器及磁力计等元件的组合器材。HARPSS处理技能常常被称为MEMS的“CMOS”，它能将高功用三轴微陀螺仪与三轴微加快计，乃至还有三轴磁强计集成在同一衬底上，然后使IMU等器材具有非常好的功用/尺度/本钱比。体声波陀螺仪可以在挨近大气的条件下坚持高Q值操作，因此不会约束同一渠道上的压力传感器和加快计等器材的功用。
除了导航功用外，IMU还具有6~9自由度的感应功用，因此可为医疗印象设备、外科手术器械及先进修正术等运用供给超精密分辨率。此外，IMU也可以用于精度要求或许较低且近期之内没有可用或实践处理方案的运用上。更具说服力的比如包含智能高尔夫球杆、网球拍及棒球棒等能盯梢和记载运动员挥拍/杆进程中的每个动作，然后有利于用户完善球技。加快计会丈量加快度、振荡及挥动平面，而陀螺仪则会丈量用户在挥拍/杆进程中手的内转或改变动作。每种运动一般都会有自己的运用，每秒最高可以从传感器处记载到1000个数据点，并向用户精确展现他们击球的力度、速度和视点。乃至还有3D模型可以展现整个挥拍/杆进程，然后分分出用户的过错之处。每种运动都有专门针对相应需求定制的运用，它能记载运动或操练进程中搜集的数据，并经过蓝牙将数据发送到智能手机或个人电脑上加以分析。
定论
选用当时尺度的体声波陀螺仪的共同之处在于，其在供给低噪声功用和大动态规模及杰出线性度的一起，还具有杰出的抗温度和机械冲击/振荡影响的才能，并且功耗也较低。该器材及其他根据HARPSS制作工艺的立异规划方案为体系进步集成度、削减尺度、下降本钱及下降杂乱度供给了杰出渠道。体声波陀螺仪将会协助规划工程师打造出此前无法完成的新产品，然后协助他们在产品规划中完成立异，做到异乎寻常。
