精确惯导系统核心陀螺仪发展，国产陀螺仪技术实力正稳步提升

电子发烧友网报道（文/李宁远）导航技术，不论在消费级市场、工业级市场、汽车市场还是军用市场，都是一项核心技术，通过测定运动物体每时每刻和位置有关的参数，从而实现对运动物体的定位，并正确地从出发点沿着预定的路线将运动物体引导至目的地。
 
根据导航信息获取原理的不同，导航技术有着惯性导航、卫星导航、无线电导航等诸多热门技术路线。卫星导航想必大家都不会陌生，是我们日常生活中常用的一种导航技术。实际上，惯性导航系统的出现要比卫星导航系统更早，早了半个多世纪。
 
惯性导航系统不仅能够提供位置信息，还能解析载体姿态信息，它不需要任何外部信息源，可以在极端的各种场景下随时作业，实现卫星导航系统无法实现的功能。在高精度的捷联惯导系统中，陀螺仪是绝对的核心。
 
惯导核心——陀螺仪
 
陀螺仪是惯性导航系统中的核心器件之一，其精度直接决定了惯导系统的整体精度。陀螺仪已经历经了几代技术更迭，目前惯导陀螺仪以激光陀螺仪、光纤陀螺仪、MEMS陀螺仪和半球谐振陀螺仪为主。
 
先不说正在快速迭代普及应用中的半球谐振陀螺仪，很长一段时间以来，激光陀螺仪都是中高精度惯导系统中的核心惯性基准系统的选择。尤其是高精度高端应用中，其主导地位是不可替代的。但激光陀螺仪成本非常高，在民用应用上普适性较低。
 
此后，普适性更好的光纤陀螺仪FOG一度成为环形激光陀螺仪RLG的低成本替代。接着随着MEMS技术的兴起，MEMS陀螺仪迅速崛起，在车辆导航、机械控制等广泛领域取得应用，精确自主导航的竞争一直伴随着这些陀螺仪的发展。
 
激光陀螺仪，最早掀起了世界范围内的自主导航革命。发展到现在，环形激光陀螺仪RLG已经是成熟且性能优越的代表。环形激光陀螺仪RLG采用环式激光仪，在同一光路中反向传播同一光源输出的激光，通过萨格纳克效应来检测外界环形的旋转角速度，具有很高的精度和优良的特性。
 
激光陀螺仪主要由控制电路和传感器本体两部分组成，其中控制电路是激光陀螺仪的大脑，是与性能、可靠性密切相关也最为复杂的一部分，也是激光陀螺仪降成本和提高易用性的主要突破点之一。
 
光纤陀螺仪FOG也基于萨格纳克效应来检测外界环形的旋转角速度，以光导纤维线圈为基础，可以通过改变光纤的长度或光在线圈中的循环传播次数来实现不同的精度，具有较宽的动态范围。
 
光纤陀螺仪FOG是全固态器件，结构简单没有摩擦部件，所有使用寿命也相对较长。当然，成本足够低也是它能广泛应用的基础，与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块上精密加工出光路，成本大幅减少。
 
随着MEMS陀螺仪的兴起，光纤陀螺FOG也面临着新的竞争。MEMS陀螺仪的快速发展不断替代其他陀螺仪。这也是受益于MEMS陀螺仪可以和一系列分立MEMS器件集成实现“芯片级导航”。
 
MEMS陀螺仪其原理与加速度计工作原理相似，陀螺仪的上层活动金属与下层金属形成电容，通过电容变化来识别角速率。MEMS陀螺仪很受青睐，提供了高误差特性、高环境稳定性、高带宽以及出色的g灵敏度。低成本的MEMS陀螺仪发展非常快，性能也在步步提升。
 
国产陀螺仪芯片发展如何？
 
陀螺仪技术水平不仅是衡量国家工业技术发展水平的重要标志之一，现在也在各类应用中用得越来越广泛，军工、工业、汽车、消费电子设备都需要陀螺仪这个关键的传感器。国内不少研究所、企业在陀螺仪上持续耕耘并取得了不俗的成绩和突破。
 
激光陀螺仪一直是技术门槛高、定价高的代表，不久前中国自主研发的新一代激光陀螺仪专用芯片问世，据悉，该芯片由二零八先进科技有限公司研发，核心团队来自国内某高水平激光陀螺研究所。该系列芯片由5枚独立功能芯片组成，分别实现激光陀螺的高压启动、高压维持、精密稳流、抖动驱动、稳频及锁区优化功能。
 
该激光陀螺驱动专用芯片不再采用分立器件的设计模式，集成度大幅提高降低了电路设计难度，体积重量减少了三分之一，成本下降了近一半，实现了我国激光陀螺仪电路的低成本国产化，迈出了激光陀螺仪产品高集成化、国产化的关键一步。
 
光纤陀螺仪应用范围涵盖从战略级武器装备到商业级民用领域，而体积小、低成本、可大规模批量生产的芯片级光纤陀螺仪一直是重点难点。去年《中国惯性技术学报》公布了国内芯片光纤陀螺仪的进展。根据中航集团618所的披露，他们已经利用半导体光刻技术开发出了芯片光纤陀螺仪。
 
该研究团队在米粒大小的硅芯片上创建了光学纤维和其他组件，该芯片技术将光纤陀螺仪的尺寸减小到原始产品的十二分之一，精度提升了30%。据悉该光纤陀螺仪芯片使用的是国内自主248nm DUV光刻技术，研究团队仍在优化工艺和技术，性能仍有不少提升空间。
 
前身为耐威科技的北京赛微电子也自主成功研制过中高精度闭环光纤陀螺仪，上市后收购了全球领先的MEMS代工厂——瑞典Silex并进行转型做MEMS晶圆制造和工艺开发。
 
隶属于中国航天科技集团的时代光电也拥有完全自主知识产权的光纤陀螺及系统、MEMS惯性系列化产品。
 
目前激光和光纤陀螺仪领域的研发，主要还是以研究所团队为主。而在MEMS陀螺仪领域，已经有不少厂商在全球行业内崭露头角。
 
去年上市成功的芯动联科主营MEMS陀螺仪，是国内掌握了高性能MEMS陀螺仪核心技术并实现稳定量产的厂商。旗下MEMS芯片加ASIC的MEMS陀螺仪的核心性能指标达到国际先进水平，适应性强。
 
芯动联科的MEMS 陀螺仪采用静电驱动、电容检测的开环闭环兼容的工作模式，基于SOI体硅工艺采用了独特的多质量块全对称解耦合结构设计及自校准自补偿电极，能在各种温度、振动等环境里足够稳定地提供高性能的传感输出。
 
芯动联科的MEMS 陀螺仪芯片已经发布了两款，XDR2067和XDR330，均是Z轴陀螺仪。XDR2067已经做到了±400°/s的满量程输出性能，以及低于0.5°/hr零偏不稳定性。±100°/s满量程的XDR330零偏不稳定性可以做到0.1°/hr以下。
 
深迪半导体作为国内最早进行设计、生产商用MEMS芯片的公司之一，也在MEMS陀螺仪芯片研发上深耕许久，此前也曾收购了Melexis汽车级单轴MEMS陀螺仪产品线，是国内首家研发成功并量产商用消费级MEMS陀螺仪传感器的企业，曾先后发布拥有自主知识产权的单轴、三轴MEMS陀螺仪产品。
 
目前深迪半导体官网上只有SZ007A一款Z轴陀螺仪的信息，量程可变，属于工业级高精陀螺仪。该款产品发布年限也很久了，深迪也一直基于此在做深度开发，将改良的MEMS陀螺仪应用在惯导测量单元中。其他像SSZ030CG、ST200G这些深迪半导体早年的MEMS陀螺仪产品当时在国内也都是很出名的MEMS陀螺仪产品。
 
微元时代的MUG22系列和MUG100系列也是自主研制全国产硅基MEMS陀螺仪，核心技术来自北京大学微纳电子学研究院惯性MEMS课题组。除此之外，还有美新半导体、新纳传感、矽睿科技、格纳微等厂商有着基于MEMS陀螺仪技术做的惯性测量单元产品。
 
写在最后
 
以激光陀螺仪和光纤陀螺仪为代表的高精度光学陀螺正在从战术级应用逐步拓展到导航级应用，在很多领域中得到批量应用，普适性不断增加。MEMS陀螺仪极高的普适性让其在汽车和消费电子领域率先得到了大量应用，并随着性能的进一步提高，工业级应用也开始青睐MEMS陀螺仪。
 
更低的成本、更高的精度、更小的体积是陀螺仪以及基于陀螺仪的惯性导航系统未来的发展趋势，国内持续在陀螺仪领域研发的企业都在这些方向上继续努力，这些努力也大大推动了各类型陀螺仪的国产化。