mems 陀螺仪走向导航级性能面临技术挑战

这篇由南京理工大学苏岩教授团队在2019年《导航与控制》上发表的文章,把科氏振动陀螺仪(CVG)这一领域里高性能MEMS陀螺仪的发展现状梳理了个清楚。文章还提到了加州大学欧文分校(UCI)、东南大学还有清华大学在这个领域的研究工作。这篇文章的核心在于探讨MEMS陀螺仪走向导航级性能所面临的技术挑战。根据IEEE STD 1431中的定义,MEMS谐振陀螺仪根据振动模式的不同分为两类:I型科氏振动陀螺仪(I-CVGs),比如音叉结构;还有II型科氏振动陀螺仪(II-CVGs),比如半球、环形结构等。 自从米兰理工2019年报道了一种基于纳机电系统(NEMS)压阻应力传感的音叉结构之后,国内在这方面也展开了很多研究。比如东南大学的双质量陀螺仪就属于这个范畴。与之相比,II型陀螺仪的机械灵敏度极高,高品质因子(Q值)也成为它的重要特征。像清华大学四质量陀螺仪和加州大学欧文分校(UCI)的双傅科摆陀螺仪就是典型代表。 在这个过程中,I型MEMS谐振陀螺仪的标度因数和增益受Q值影响较小。不过这类陀螺仪也有明显缺点:哥式效应带来的机械增益小,再加上电噪声对结构产生角度随机游走较大,所以信噪比的提高成了I型陀螺仪走向高性能的一个关键挑战。而II型陀螺仪广义上指的是工作在小频差或模态匹配的陀螺仪。 尽管国内已经取得了显著进步,要实现导航级性能还得继续努力。文章指出了几点重要方向:首先是高参数设计来提升Q值和信噪比;其次是正交解耦来抑制误差;接着是优化锚点设计减少寄生电容;然后是提升封装精度解决工艺问题;再者是低应力封装提升稳定性;最后就是精准测控实现闭环控制。