上海微系統所在高精度MEMS諧振式陀螺儀研究取得新進展

　　【儀表網 研發快訊】MEMS盤式諧振陀螺儀(DRG)憑借緊湊結構、高熱穩定性和軸對稱嵌套環設計，在高精度尋北儀、慣性導航等領域具有較大的應用潛力。傳統DRG陀螺儀的簡并諧振器通過模態匹配顯著降低耦合誤差，結構的創新設計還解決了頻率分裂問題，但制造缺陷仍導致不對稱性；質量調整、離子束切割等后處理技術雖能削弱非對角耦合項，卻未根除不對稱根源，影響了MEMS陀螺精度進一步的提高。
 

　　近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所陳方等提出了一種新型可擴展輸入動態范圍的高精度Sigma-Delta類蛛網MEMS多環嵌套式陀螺儀。研究人員摒棄了傳統圓形嵌套環陀螺結構，首次提出了線性多比特Sigma-Delta閉環力反饋測控機制和‌16邊形類蜘蛛網狀多環嵌套式陀螺儀(CDRG)諧振器設計機制。采用‌內部雙電極驅動模式‌和多比特Sigma-Delta閉環調制的工作模式，優化驅動電極布局和激勵電壓，解決傳統MEMS陀螺存在的靜電非線性效應、信號混疊、動態范圍小、噪聲大等問題。實驗結果表明，該新型Sigma-Delta類蛛網MEMS多環嵌套式陀螺儀在輸入動態范圍、角度隨機游走和偏置不穩定性分別提升了30%、106.2%和487.9%； MEMS陀螺的零偏不穩定性(BI)從3.88 °/h提高至0.66 °/h，角度隨機游走(ARW)從0.134 °/√h降至0.065 °/√h，性能達到戰術級慣性導航的要求。這項研究成果以“Anti-aliasing multi-bit sigma-delta modulated cobweb-like disk resonator gyroscope with extending input range“為題發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00919-1
 

圖1 新型類蛛網MEMS多環嵌套式陀螺儀芯片設計與系統組成
 

圖2 該類蛛網Sigma-Delta多環嵌套陀螺儀噪聲、零偏不穩定性等測試結果
 

　　論文主要完成者和通訊作者為中國科學院上海微系統與信息技術研究所陳方副研究員。該研究工作得到了國家重點研發計劃項目-高頻響三軸 MEMS 陀螺敏感元件及傳感器 (2022YFB3205004)、國家自然科學基金項目(61974156)等支持。