角加速度在無(wú)人機(jī)（UAV）姿態(tài)精確估計(jì)與動(dòng)力學(xué)控制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的方法通常通過(guò)對(duì)陀螺儀輸出信號(hào)進(jìn)行微分來(lái)獲取角加速度。然而，這種間接求導(dǎo)方式不可避免地會(huì)引入不利的相位滯后并放大噪聲，從而影響飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、北京航空航天大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)于近日提出了一種基于MEMS技術(shù)的高性能電化學(xué)角加速度計(jì)（EAA），能夠?qū)崿F(xiàn)角加速度的直接、高保真測(cè)量。通過(guò)理論建模和有限元優(yōu)化，研究人員設(shè)計(jì)了一種采用玻璃-硅（Glass-on-Silicon，GOS）封裝的緊湊型板式電極結(jié)構(gòu)，可提高流體動(dòng)力學(xué)阻尼和靈敏度。所制備的器件尺寸為22 × 22 × 25 mm3，實(shí)現(xiàn)了4.5 V/(rad/s2)的靈敏度和3.12 × 10?? (rad/s2)/√Hz的噪聲基底（在1 Hz處），且功耗僅為2.4 mW。雖然其本征工作帶寬為0.01–0.2 Hz，但通過(guò)引入補(bǔ)償電路成功將其?3 dB工作帶寬擴(kuò)展至10 Hz。
研究人員對(duì)該MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)進(jìn)行了全面性能驗(yàn)證，包括開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試以及結(jié)合閉環(huán)增量非線性動(dòng)態(tài)逆（INDI）控制器的飛行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與基于陀螺儀信號(hào)微分得到的角加速度估計(jì)值相比，MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)更快的指令響應(yīng)速度和更低的跟蹤誤差。通過(guò)構(gòu)建一種直接、低時(shí)延的角加速度測(cè)量架構(gòu)，本研究為無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制中的高保真角加速度測(cè)量提供了一種全新的直接感知范式，有望推動(dòng)旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)感知與控制技術(shù)的發(fā)展。上述研究成果以“MEMS electrochemical angular accelerometer: a paradigm shift for attitude detection and control in rotorcraft UAVs”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering。
工作原理
與傳統(tǒng)的MEMS慣性傳感器類(lèi)似，本文提出的MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的工作動(dòng)力學(xué)可通過(guò)由兩個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)（機(jī)械子系統(tǒng)和電化學(xué)子系統(tǒng)）組成的傳遞函數(shù)進(jìn)行建模。其中，機(jī)械子系統(tǒng)充當(dāng)流體接口，負(fù)責(zé)將外部角加速度激勵(lì)轉(zhuǎn)換為電解液的對(duì)流流動(dòng)；電化學(xué)子系統(tǒng)則作為換能單元，將這些流體動(dòng)力學(xué)信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電流信號(hào)。如圖1a所示，該器件結(jié)構(gòu)主要由三個(gè)關(guān)鍵組成部分構(gòu)成：微電極傳感單元、功能電解液和氣密封裝的環(huán)形殼體。傳感單元采用對(duì)稱電極陣列結(jié)構(gòu)，按照ACAC（陽(yáng)極-陰極-陽(yáng)極-陰極）或CACA（陰極-陽(yáng)極-陰極-陽(yáng)極）的順序排列，并布置于環(huán)形流道的中心位置。
圖1 MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)與工作原理
MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的基本工作原理如圖1b所示。在每組陽(yáng)極-陰極電極對(duì)之間施加0.3 V直流偏置電壓，從而在微電極界面驅(qū)動(dòng)可逆氧化還原反應(yīng)。當(dāng)施加外部角加速度時(shí)，電解液質(zhì)量塊的慣性滯后會(huì)引發(fā)與激勵(lì)方向相反的相對(duì)流動(dòng)。這種對(duì)流運(yùn)動(dòng)破壞了穩(wěn)態(tài)濃度分布，使得其中一個(gè)陰極的離子通量增加，而另一個(gè)陰極的離子通量減少。由此導(dǎo)致兩側(cè)電極電流出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象（I? ≠ I?），進(jìn)而產(chǎn)生差分輸出信號(hào)（Uout > 0 V）。該輸出信號(hào)與輸入角加速度的頻率和幅值直接相關(guān)。
有限元仿真
鑒于MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的換能機(jī)理涉及多物理場(chǎng)的復(fù)雜耦合，尤其是流體動(dòng)力學(xué)與電化學(xué)的相互作用，本研究在COMSOL Multiphysics環(huán)境中建立并求解了一個(gè)簡(jiǎn)化的三維模型。最終，綜合系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)平面電極結(jié)構(gòu)相比，所提出的具有板式電極的MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)具有更高的靈敏度以及更寬的工作帶寬。
圖2 具有板式電極的MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的有限元仿真
制備工藝
為了實(shí)現(xiàn)一種微型化、高性能的電化學(xué)角加速度計(jì)，研究人員開(kāi)發(fā)了一套可靠的三層微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）制造工藝，如圖3a所示。圖3c為切割后的MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)實(shí)物照片，芯片尺寸為10 × 10 mm2。圖3d為組裝完成的MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)實(shí)物照片，整體尺寸為22 × 22 × 25 mm3。
圖3 MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的制備工藝流程及實(shí)物照片
MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)作為觀測(cè)輸出的開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證所提出的MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的性能，研究人員開(kāi)展了系統(tǒng)性的性能表征和轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試。
性能測(cè)試結(jié)果顯示，該MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)在0.01 Hz處獲得了4.5 V/(rad/s2)的峰值靈敏度（圖4a）。此外，該傳感器在1 Hz處擁有出色的線性度（圖4b），并且其噪聲基底僅為3.12 × 10?? (rad/s2)/√Hz（圖4c）。
圖4 輸出性能表征
與此前報(bào)道的電化學(xué)角加速度計(jì)相比，本研究所提出的器件在保持緊湊型尺寸和優(yōu)異線性度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更寬的工作帶寬、更高的靈敏度以及更低的噪聲水平，因此非常適用于無(wú)人機(jī)姿態(tài)檢測(cè)與控制等應(yīng)用場(chǎng)景。
為了進(jìn)一步提升器件的高頻性能，研究人員引入了一種頻率補(bǔ)償電路。補(bǔ)償后的測(cè)試結(jié)果表明，MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的有效工作帶寬被擴(kuò)展至10 Hz，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能得到顯著增強(qiáng)，從而能夠可靠地集成到高機(jī)動(dòng)性無(wú)人機(jī)平臺(tái)中。
接著研究人員將MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)集成到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中（圖5），并開(kāi)展了可靠性測(cè)試。對(duì)比結(jié)果表明，MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的輸出信號(hào)與由陀螺儀信號(hào)微分得到的角加速度信號(hào)高度一致，二者的信號(hào)一致性系數(shù)超過(guò)0.97。更為重要的是，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)具有顯著的時(shí)間領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。這種時(shí)間優(yōu)勢(shì)能夠直接轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)更大的相位裕度（Phase Margin），從而有望提升無(wú)人機(jī)在劇烈機(jī)動(dòng)飛行過(guò)程中的控制穩(wěn)定性。
圖5 配備MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)的四旋翼無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)作為INDI系統(tǒng)控制輸入的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)
為了評(píng)估MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用可行性，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)施了兩組飛行控制實(shí)驗(yàn)，包括階躍響應(yīng)測(cè)試和懸停飛行測(cè)試。
懸停飛行測(cè)試結(jié)果表明，MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)在低頻、小幅度姿態(tài)變化場(chǎng)景中具有出色的穩(wěn)定性，能夠精確捕捉懸停過(guò)程中微小的角加速度變化，滿足無(wú)人機(jī)懸停姿態(tài)監(jiān)測(cè)的精度要求。
圖6 無(wú)人機(jī)懸停控制和傳感器誤差分析
結(jié)論
綜上所述，本研究成功研制了一種新型MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)，其具有高性能板式電極結(jié)構(gòu)。與商用MEMS慣性測(cè)量單元（BMI055）的綜合對(duì)比分析表明，該MEMS電化學(xué)角加速度計(jì)在性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)，包括顯著降低的指令跟蹤誤差以及更快的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間?？傊@項(xiàng)研究為直接、低延遲的慣性傳感范式奠定了基礎(chǔ)，對(duì)下一代高精度自主航空和機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展具有廣泛意義。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01326-w
