【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】MEMS盤式諧振陀螺儀(DRG)憑借緊湊結(jié)構(gòu)、高熱穩(wěn)定性和軸對(duì)稱嵌套環(huán)設(shè)計(jì)，在高精度尋北儀、慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)DRG陀螺儀的簡并諧振器通過模態(tài)匹配顯著降低耦合誤差，結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)還解決了頻率分裂問題，但制造缺陷仍導(dǎo)致不對(duì)稱性；質(zhì)量調(diào)整、離子束切割等后處理技術(shù)雖能削弱非對(duì)角耦合項(xiàng)，卻未根除不對(duì)稱根源，影響了MEMS陀螺精度進(jìn)一步的提高。
 

　　近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所陳方等提出了一種新型可擴(kuò)展輸入動(dòng)態(tài)范圍的高精度Sigma-Delta類蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀。研究人員摒棄了傳統(tǒng)圓形嵌套環(huán)陀螺結(jié)構(gòu)，首次提出了線性多比特Sigma-Delta閉環(huán)力反饋測(cè)控機(jī)制和‌16邊形類蜘蛛網(wǎng)狀多環(huán)嵌套式陀螺儀(CDRG)諧振器設(shè)計(jì)機(jī)制。采用‌內(nèi)部雙電極驅(qū)動(dòng)模式‌和多比特Sigma-Delta閉環(huán)調(diào)制的工作模式，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電極布局和激勵(lì)電壓，解決傳統(tǒng)MEMS陀螺存在的靜電非線性效應(yīng)、信號(hào)混疊、動(dòng)態(tài)范圍小、噪聲大等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型Sigma-Delta類蛛網(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀在輸入動(dòng)態(tài)范圍、角度隨機(jī)游走和偏置不穩(wěn)定性分別提升了30%、106.2%和487.9%； MEMS陀螺的零偏不穩(wěn)定性(BI)從3.88 °/h提高至0.66 °/h，角度隨機(jī)游走(ARW)從0.134 °/√h降至0.065 °/√h，性能達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣性導(dǎo)航的要求。這項(xiàng)研究成果以“Anti-aliasing multi-bit sigma-delta modulated cobweb-like disk resonator gyroscope with extending input range“為題發(fā)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(wǎng)MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀芯片設(shè)計(jì)與系統(tǒng)組成
 

圖2 該類蛛網(wǎng)Sigma-Delta多環(huán)嵌套陀螺儀噪聲、零偏不穩(wěn)定性等測(cè)試結(jié)果
 

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