仪器仪表学报

作者：马炫霖，朴林华，刘珺宇

单位：马炫霖,北京信息科技大学传感器重点实验室北京100000,,朴林华,北京信息科技大学传感器重点实验室北京100000,bjplh@163.com,刘珺宇,北京信息科技大学传感器重点实验室北京100000,

关键词：热膨胀流陀螺;有限元分析;MEMS工艺;无掩膜光刻

基金：国家自然科学基金资助项目（61771060）；北京市教育委员会科研计划项目资助(KZ20231123221) ；北京市新世纪百千万人才工程培养资助项目（2019A20）；现代测控技术教育部重点实验室资助（2024202101）；北京信息科技大学北京市传感器重点实验室资助（2024202108）

提出并验证了一种基于双向热膨胀流原理的MEMS陀螺，陀螺通过加热器的瞬时温度变化产生气流，进而导致热敏电阻的温变，并转换成相应的输出电压，最终实现对Z轴角速度的准确检测。为了进一步提高陀螺性能，降低交叉耦合，同时优化制备工艺，需对所设计的陀螺结构进行优化设计。首先，需借助COMSOLMultiphysics仿真软件，针对敏感元件的位置分布、摆放方式以及单、双向热膨胀流等因素对灵敏度的影响展开深入探究。通过系统性的仿真分析，明确最优的敏感元件摆放位置范围，确定平行摆放方式为最佳选择。其次，从理论与仿真结果两方面论证，双向热膨胀流能够实现更高的输出灵敏度，并且在抑制耦合方面表现更为出色。最后基于以上研究，对该MEMS陀螺进行流片制备，并所对制作的基于双向热膨胀流的MEMS陀螺进行性能测试并分析陀螺的不足。测试结果表明，在加热器的驱动信号为2.5V、50%占空比、10Hz方波的情况下，该陀螺能够在±600°/s范围内检测角速率，灵敏度为3.04mV/（°·s-1），非线性度为7.09%。实验结果与数值模拟相符，该陀螺具有灵敏度高、抑制交叉耦合和工艺简单等特点，可用于电子设备、航天和医学仪器等领域。

来源：2025年第6期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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