【儀表網 研發(fā)快訊】MEMS盤式諧振陀螺儀(DRG)憑借緊湊結構、高熱穩(wěn)定性和軸對稱嵌套環(huán)設計，在高精度尋北儀、慣性導航等領域具有較大的應用潛力。傳統(tǒng)DRG陀螺儀的簡并諧振器通過模態(tài)匹配顯著降低耦合誤差，結構的創(chuàng)新設計還解決了頻率分裂問題，但制造缺陷仍導致不對稱性；質量調整、離子束切割等后處理技術雖能削弱非對角耦合項，卻未根除不對稱根源，影響了MEMS陀螺精度進一步的提高。
 

　　近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所陳方等提出了一種新型可擴展輸入動態(tài)范圍的高精度Sigma-Delta類蛛網MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀。研究人員摒棄了傳統(tǒng)圓形嵌套環(huán)陀螺結構，首次提出了線性多比特Sigma-Delta閉環(huán)力反饋測控機制和‌16邊形類蜘蛛網狀多環(huán)嵌套式陀螺儀(CDRG)諧振器設計機制。采用‌內部雙電極驅動模式‌和多比特Sigma-Delta閉環(huán)調制的工作模式，優(yōu)化驅動電極布局和激勵電壓，解決傳統(tǒng)MEMS陀螺存在的靜電非線性效應、信號混疊、動態(tài)范圍小、噪聲大等問題。實驗結果表明，該新型Sigma-Delta類蛛網MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀在輸入動態(tài)范圍、角度隨機游走和偏置不穩(wěn)定性分別提升了30%、106.2%和487.9%； MEMS陀螺的零偏不穩(wěn)定性(BI)從3.88 °/h提高至0.66 °/h，角度隨機游走(ARW)從0.134 °/√h降至0.065 °/√h，性能達到戰(zhàn)術級慣性導航的要求。這項研究成果以“Anti-aliasing multi-bit sigma-delta modulated cobweb-like disk resonator gyroscope with extending input range“為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00919-1
 

圖1 新型類蛛網MEMS多環(huán)嵌套式陀螺儀芯片設計與系統(tǒng)組成
 

圖2 該類蛛網Sigma-Delta多環(huán)嵌套陀螺儀噪聲、零偏不穩(wěn)定性等測試結果
 

　　論文主要完成者和通訊作者為中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所陳方副研究員。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目-高頻響三軸 MEMS 陀螺敏感元件及傳感器 (2022YFB3205004)、國家自然科學基金項目(61974156)等支持。