加州大學(xué)發(fā)布精度遠(yuǎn)高出民用品的陀螺儀

雖然都叫陀螺儀，但實(shí)際卻包含從角度隨機(jī)游走為0.01deg/√h左右的低端品到角度隨機(jī)游走為0.0001～0.001deg/√h左右的高端品。低端品常用于導(dǎo)航和防抖，MEMS振動(dòng)陀螺儀就屬于低端品。而最高端的是靜電懸浮陀螺儀（ESG），是羅克韋爾等公司在1970年代為核潛艇導(dǎo)航儀用途而開發(fā)的。核潛艇必須連續(xù)幾個(gè)月在水下潛行，因此需要超高精度的陀螺儀。ESG利用靜電力使直徑1cm的鈹（Be）球體懸浮在空中，并以15萬rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。鈹球體非常接近正圓球，但高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，正圓球在離心力作用下會(huì)變成橢圓球，因此為使其在旋轉(zhuǎn)時(shí)為正圓球，要將其加工成略呈橢圓球狀。另外，如果做成真正的正圓球，就不能旋轉(zhuǎn)了，因此鈹球體內(nèi)部埋有鉭（Ta）線，使其重心偏移0.38μm。

       雖然普通的MEMS陀螺儀常用于低端用途，但現(xiàn)在業(yè)內(nèi)正在開展提高其性能的開發(fā)，以取代部分光纖陀螺儀等。成功案例有東京計(jì)器的靜電懸浮環(huán)式環(huán)形轉(zhuǎn)子陀螺儀，能夠?qū)崿F(xiàn)角度隨機(jī)游走為0.1deg/√h級(jí)別的性能。該產(chǎn)品利用靜電力使直徑1.5mm的硅環(huán)懸浮，并以幾萬rpm以上的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而同時(shí)測(cè)量三個(gè)方向的加速度和兩個(gè)方向的角速度?，F(xiàn)在，該產(chǎn)品已被用于旨在改善列車舒適性的列車搖動(dòng)測(cè)量裝置上。

       在IEEE MEMS 2013上，有幾篇關(guān)于高性能陀螺儀的論文。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Boser教授的研究組發(fā)表了論文《Quadrature FM Gyroscope》（論文序號(hào)：087-We）。懸浮在空中的物體以角速度ω0旋轉(zhuǎn)時(shí)，在旋轉(zhuǎn)方向與該物體相同、以角速度Ω旋轉(zhuǎn)的觀測(cè)者看來，該物體的角速度為(ω0-Ω)。如果ω0已知，觀測(cè)者只要測(cè)量(ω0-Ω)，便可得知Ω（圖1）。不過，由于ω0很難準(zhǔn)確掌握，因此，實(shí)際的方法是，再準(zhǔn)備角速度為-ω0、即與前一個(gè)物體旋轉(zhuǎn)方向相反但角速度大小相同的另外一個(gè)物體，觀測(cè)者測(cè)出(-ω0-Ω)，再與之前測(cè)得的(ω0-Ω)求和，便可得出Ω。要想使右旋物體與左旋物體的角速度大小同為ω0，可采用與音叉型振動(dòng)陀螺儀的模式匹配相同的方法。

       為了用MEMS實(shí)現(xiàn)上述原理的陀螺儀，Boser等人采用了直徑1mm的硅環(huán)作為旋轉(zhuǎn)物體（圖2）。在硅環(huán)周圍配置了容量電極，在靜電驅(qū)動(dòng)下，波會(huì)在環(huán)上環(huán)繞。這種MEMS構(gòu)造和CMOS讀取電路是采用與美國(guó)InvenSense的陀螺儀相同的工藝（取該公司創(chuàng)始人的姓、命名為“Nasiri Fabrication Process”），通過晶圓接合而集成在一起的。本文對(duì)Nasiri Fabrication Process不再贅述，不過這是非常好的技術(shù)，因此感興趣的讀者請(qǐng)參閱（http://www.invensense.com/mems/technology.html）。

       根據(jù)前面所講原理可以看出，Boser教授的研究小組開發(fā)的該陀螺儀的帶寬不受限制，因此不用犧牲帶寬來提高精度。另外，在頻率輸出上，頻率與輸入角速度始終保持固定的線性關(guān)系。另外，該陀螺儀不需要像振動(dòng)陀螺儀那樣檢測(cè)微小的位移，因此還可以降低耗電量。另外，把細(xì)環(huán)作為旋轉(zhuǎn)物體，重量輕，因此性能與振動(dòng)陀螺儀相當(dāng)，但還有很大余地可以提高性能。（特約撰稿人：田中 秀治，東北大學(xué)）


圖1（美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提供）（點(diǎn)擊放大）

圖2（美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校提供）（點(diǎn)擊放大）