MEMS陀螺儀屬于科氏振動陀螺儀（CVG），具有體積小、質量小、功耗低的優(yōu)勢。隨著MEMS設計技術和國內(nèi)工藝水平的發(fā)展，MEMS陀螺儀的零位噪聲水平不斷降低，已具備實現(xiàn)導航級性能的潛力，但想要達到0.01(°)/h零偏穩(wěn)定性導航級性能的中遠期目標，其在技術層面仍面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對該領域研究，南京理工大學蘇巖教授團隊在《導航與控制》期刊上發(fā)表了題為“導航級MEMS陀螺儀關鍵技術與發(fā)展綜述”的文章，概述了目前國內(nèi)外公開報道的高性能MEMS陀螺儀，梳理歸納了其特點，并對近幾年國內(nèi)外研究機構在MEMS諧振陀螺儀關鍵技術上的研究進行了總結，探討了MEMS諧振陀螺儀潛在的發(fā)展方向，為國內(nèi)外同行開展MEMS科氏力振動陀螺儀結構研究并提高陀螺性儀能提供了參考和借鑒。
根據(jù)IEEE STD 1431中的定義，MEMS諧振陀螺儀依據(jù)振動模式的性質分為兩類：I型科氏振動陀螺儀（I-CVGs），代表構型為音叉結構；II型科氏振動陀螺儀（II-CVGs），代表結構為半球、環(huán)形結構等。
圖1 I型（音叉結構）和II型（環(huán)形結構）MEMS陀螺儀工作示意圖
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工作在頻差下的I型陀螺儀
I型陀螺儀在近30年的發(fā)展中，展現(xiàn)了很多經(jīng)典的結構。2019年米蘭理工報道了一種基于納機電系統(tǒng)（NEMS）壓阻應力傳感的音叉結構，是一個具有代表性的導航級I型陀螺儀。國內(nèi)在音叉結構方面也開展了大量的工作。
圖2 I型陀螺儀經(jīng)典結構
圖3 米蘭理工NEMS壓阻敏感的音叉結構
圖4 東南大學的雙質量陀螺儀
工作在模態(tài)匹配的II型陀螺儀
與I型陀螺儀相比，II型陀螺儀的機械靈敏度是極大的，高品質因子（Q值）也成為II型陀螺的重要特征。II型陀螺的典型代表主要有MEMS環(huán)形陀螺儀、四質量陀螺儀、雙框架/雙傅科擺結構。
圖5 典型的單環(huán)陀螺儀結構
圖6 典型的多環(huán)陀螺儀結構
圖7 清華大學四質量陀螺儀及模態(tài)分布
圖8 加州大學歐文分校（UCI）的雙傅科擺陀螺儀結構
圖9 微半球陀螺儀研究相關報道
兩類MEMS陀螺儀特點與挑戰(zhàn)
I型MEMS諧振陀螺儀的標度因數(shù)和增益受Q值影響較小，在長期工作條件下變化較小。相對于優(yōu)點，I型陀螺儀的缺點也尤為明顯，例如哥式效應帶來的機械增益小，同時電噪聲對結構產(chǎn)生的角度隨機游走也較大，信噪比的提高是I型陀螺儀走向高性能的挑戰(zhàn)。因此，I型陀螺儀的特點一般為大質量、大電容，并且工作在大頻差模式下。
II型陀螺儀早期主要指具有全對稱結構的陀螺儀，隨著一些I型陀螺儀類似構型設計在模態(tài)匹配工作，通過引入II型陀螺儀設計理念來取得高信噪比，II型陀螺儀廣義上是指工作在小頻差或模態(tài)匹配的陀螺儀。II型陀螺儀的特點是工作在模態(tài)匹配或近似模態(tài)匹配的強耦合模式，其哥氏效應和各類誤差都通過強耦合作用在敏感模態(tài)上，因此其高性能挑戰(zhàn)是高魯棒性、高精度的誤差控制環(huán)路和低噪聲的讀出電路。
導航級MEMS陀螺儀研究展望
經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)MEMS陀螺儀已經(jīng)取得了顯著的進步，但要實現(xiàn)導航級性能，需要從以下幾方面開展深入研究：
（1）高參數(shù)設計：提升Q值，增大等效質量與檢測電容，降低機械熱噪聲、提升信噪比。
（2）正交解耦：以軸對稱和差分輸出抑制正交誤差，結合靜電力手段補償/消除殘余誤差。
（3）錨點優(yōu)化：合理設計錨點尺寸與分布，多錨點對稱布置，減少寄生電容和能量損耗。
（4）高精度工藝：優(yōu)化封裝與器件層加工，提升結構對稱度，解決頻率裂解等工藝誤差問題。
（5）低應力封裝：采用應力隔離結構，匹配材料熱膨脹系數(shù)，提升陀螺全溫工作穩(wěn)定性。
（6）精準測控：搭建多閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)模態(tài)匹配、正交抑制，優(yōu)化頻率調(diào)諧與相位解調(diào)。
論文信息：
DOI: 10.3969/j.issn.1674-5558.2025.01.003
