加州大学发布精度远高出民用品的陀螺仪

虽然都叫陀螺仪，但实际却包含从角度随机游走为0.01deg/√h左右的低端品到角度随机游走为0.0001～0.001deg/√h左右的高端品。低端品常用于导航和防抖，MEMS振动陀螺仪就属于低端品。而最高端的是静电悬浮陀螺仪（ESG），是罗克韦尔等公司在1970年代为核潜艇导航仪用途而开发的。核潜艇必须连续几个月在水下潜行，因此需要超高精度的陀螺仪。ESG利用静电力使直径1cm的铍（Be）球体悬浮在空中，并以15万rpm的转速旋转。铍球体非常接近正圆球，但高速旋转时，正圆球在离心力作用下会变成椭圆球，因此为使其在旋转时为正圆球，要将其加工成略呈椭圆球状。另外，如果做成真正的正圆球，就不能旋转了，因此铍球体内部埋有钽（Ta）线，使其重心偏移0.38μm。

       虽然普通的MEMS陀螺仪常用于低端用途，但现在业内正在开展提高其性能的开发，以取代部分光纤陀螺仪等。成功案例有东京计器的静电悬浮环式环形转子陀螺仪，能够实现角度随机游走为0.1deg/√h级别的性能。该产品利用静电力使直径1.5mm的硅环悬浮，并以几万rpm以上的转速旋转，从而同时测量三个方向的加速度和两个方向的角速度。现在，该产品已被用于旨在改善列车舒适性的列车摇动测量装置上。

       在IEEE MEMS 2013上，有几篇关于高性能陀螺仪的论文。美国加州大学伯克利分校Boser教授的研究组发表了论文《Quadrature FM Gyroscope》（论文序号：087-We）。悬浮在空中的物体以角速度ω0旋转时，在旋转方向与该物体相同、以角速度Ω旋转的观测者看来，该物体的角速度为(ω0-Ω)。如果ω0已知，观测者只要测量(ω0-Ω)，便可得知Ω（图1）。不过，由于ω0很难准确掌握，因此，实际的方法是，再准备角速度为-ω0、即与前一个物体旋转方向相反但角速度大小相同的另外一个物体，观测者测出(-ω0-Ω)，再与之前测得的(ω0-Ω)求和，便可得出Ω。要想使右旋物体与左旋物体的角速度大小同为ω0，可采用与音叉型振动陀螺仪的模式匹配相同的方法。

       为了用MEMS实现上述原理的陀螺仪，Boser等人采用了直径1mm的硅环作为旋转物体（图2）。在硅环周围配置了容量电极，在静电驱动下，波会在环上环绕。这种MEMS构造和CMOS读取电路是采用与美国InvenSense的陀螺仪相同的工艺（取该公司创始人的姓、命名为“Nasiri Fabrication Process”），通过晶圆接合而集成在一起的。本文对Nasiri Fabrication Process不再赘述，不过这是非常好的技术，因此感兴趣的读者请参阅（http://www.invensense.com/mems/technology.html）。

       根据前面所讲原理可以看出，Boser教授的研究小组开发的该陀螺仪的带宽不受限制，因此不用牺牲带宽来提高精度。另外，在频率输出上，频率与输入角速度始终保持固定的线性关系。另外，该陀螺仪不需要像振动陀螺仪那样检测微小的位移，因此还可以降低耗电量。另外，把细环作为旋转物体，重量轻，因此性能与振动陀螺仪相当，但还有很大余地可以提高性能。（特约撰稿人：田中 秀治，东北大学）


图1（美国加州大学伯克利分校提供）（点击放大）

图2（美国加州大学伯克利分校提供）（点击放大）