低功耗微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀已經(jīng)完全融入了我們的生活，在控制、監(jiān)測設(shè)備的方位、角運(yùn)動(dòng)、位置、旋轉(zhuǎn)和方向等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)和其他自動(dòng)化功能越來越普遍的情況下，人們對系統(tǒng)的性能和耐操性要求越來越高，催生出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的親民化和小型化。
MEMS陀螺儀放大圖
從慣性測量單元的性能角度來考慮，為了達(dá)到新的需求，新款陀螺儀需要比市面上現(xiàn)有最好的陀螺儀，在性能上提升兩個(gè)等級。新款陀螺儀的角隨機(jī)游走要小于0.01°/√hr，偏置不穩(wěn)定性還要遠(yuǎn)低于0.1°/hr，最起碼要達(dá)到導(dǎo)航級別的性能。
鑒于市場對高性能和高可靠性陀螺儀的需求，法國原子能委員會電子與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(CEA-LETI)聯(lián)合米蘭理工大學(xué)（Politecnico di Milano）成立了一個(gè)研究小組，成功研發(fā)出了一款能夠提供導(dǎo)航級性能、尺寸全球最小的MEMS陀螺儀。該MEMS陀螺儀采用了納米電阻傳感技術(shù)，傳感器部分僅占1.3 mm2。
導(dǎo)航級MEMS陀螺儀俯視圖，偽色圖突出顯示
這款MEMS陀螺儀最難能可貴的地方在于，擁有世界上最小的尺寸，卻實(shí)現(xiàn)了具備最先進(jìn)技術(shù)的性能。
研究團(tuán)隊(duì)為這款MEMS陀螺儀設(shè)計(jì)了不小于25kHz的諧振頻率，以應(yīng)對傳統(tǒng)振動(dòng)環(huán)境，比如，在GPS信號中斷時(shí)的平臺穩(wěn)定、室內(nèi)導(dǎo)航、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精確控制、短期導(dǎo)航等場景。
綜合來看，這款MEMS陀螺儀在尺寸、諧振頻率和整體性能方面，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀的產(chǎn)品，比如在偏置穩(wěn)定性、帶寬、噪聲和量程方面已經(jīng)取得了同類產(chǎn)品的性能領(lǐng)先，尺寸更是具有絕對優(yōu)勢。不過，研發(fā)人員表示，一些技術(shù)細(xì)節(jié)的改進(jìn)仍在進(jìn)行當(dāng)中。
三軸MEMS陀螺儀
為了降低這款MEMS陀螺儀的成本，研究小組從制造工藝和傳感器尺寸方面入手，使其能兼容針對汽車市場標(biāo)準(zhǔn)的MEMS代工廠，特別是真空晶圓級封裝。這樣一來，在MEMS代工和制造工藝方面，這款MEMS陀螺儀就能夠適應(yīng)“吃粗糧”，制造成本被攤低了。同時(shí)，研究小組將三軸陀螺儀協(xié)同集成作為繼續(xù)研究的方向，使三軸都能提供相同的性能。目前，該研究方向的可行性已經(jīng)被驗(yàn)證。
這款陀螺儀已經(jīng)完成了樣品生產(chǎn)，可以集成氣壓傳感器和三軸高性能MEMS加速度計(jì)。在制造工藝上，這款陀螺儀進(jìn)行了兼容性設(shè)計(jì)，可以直接利用現(xiàn)有成熟的生產(chǎn)工藝，因此，預(yù)計(jì)可以在未來兩年進(jìn)行量產(chǎn)上市。
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