電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）導(dǎo)航技術(shù)，不論在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)、工業(yè)級(jí)市場(chǎng)、汽車(chē)市場(chǎng)還是軍用市場(chǎng)，都是一項(xiàng)核心技術(shù)，通過(guò)測(cè)定運(yùn)動(dòng)物體每時(shí)每刻和位置有關(guān)的參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的定位，并正確地從出發(fā)點(diǎn)沿著預(yù)定的路線將運(yùn)動(dòng)物體引導(dǎo)至目的地。

根據(jù)導(dǎo)航信息獲取原理的不同，導(dǎo)航技術(shù)有著慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航等諸多熱門(mén)技術(shù)路線。衛(wèi)星導(dǎo)航想必大家都不會(huì)陌生，是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫囊环N導(dǎo)航技術(shù)。實(shí)際上，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)要比衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更早，早了半個(gè)多世紀(jì)。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能夠提供位置信息，還能解析載體姿態(tài)信息，它不需要任何外部信息源，可以在極端的各種場(chǎng)景下隨時(shí)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。在高精度的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，陀螺儀是絕對(duì)的核心。

慣導(dǎo)核心——陀螺儀

陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的核心器件之一，其精度直接決定了慣導(dǎo)系統(tǒng)的整體精度。陀螺儀已經(jīng)歷經(jīng)了幾代技術(shù)更迭，目前慣導(dǎo)陀螺儀以激光陀螺儀、光纖陀螺儀、MEMS陀螺儀和半球諧振陀螺儀為主。

先不說(shuō)正在快速迭代普及應(yīng)用中的半球諧振陀螺儀，很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，激光陀螺儀都是中高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)中的核心慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的選擇。尤其是高精度高端應(yīng)用中，其主導(dǎo)地位是不可替代的。但激光陀螺儀成本非常高，在民用應(yīng)用上普適性較低。

此后，普適性更好的光纖陀螺儀FOG一度成為環(huán)形激光陀螺儀RLG的低成本替代。接著隨著MEMS技術(shù)的興起，MEMS陀螺儀迅速崛起，在車(chē)輛導(dǎo)航、機(jī)械控制等廣泛領(lǐng)域取得應(yīng)用，精確自主導(dǎo)航的競(jìng)爭(zhēng)一直伴隨著這些陀螺儀的發(fā)展。

激光陀螺儀，最早掀起了世界范圍內(nèi)的自主導(dǎo)航革命。發(fā)展到現(xiàn)在，環(huán)形激光陀螺儀RLG已經(jīng)是成熟且性能優(yōu)越的代表。環(huán)形激光陀螺儀RLG采用環(huán)式激光儀，在同一光路中反向傳播同一光源輸出的激光，通過(guò)薩格納克效應(yīng)來(lái)檢測(cè)外界環(huán)形的旋轉(zhuǎn)角速度，具有很高的精度和優(yōu)良的特性。

激光陀螺儀主要由控制電路和傳感器本體兩部分組成，其中控制電路是激光陀螺儀的大腦，是與性能、可靠性密切相關(guān)也最為復(fù)雜的一部分，也是激光陀螺儀降成本和提高易用性的主要突破點(diǎn)之一。

光纖陀螺儀FOG也基于薩格納克效應(yīng)來(lái)檢測(cè)外界環(huán)形的旋轉(zhuǎn)角速度，以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)，可以通過(guò)改變光纖的長(zhǎng)度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的精度，具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。

光纖陀螺儀FOG是全固態(tài)器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單沒(méi)有摩擦部件，所有使用壽命也相對(duì)較長(zhǎng)。當(dāng)然，成本足夠低也是它能廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)，與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒(méi)有閉鎖問(wèn)題，也不用在石英塊上精密加工出光路，成本大幅減少。

隨著MEMS陀螺儀的興起，光纖陀螺FOG也面臨著新的競(jìng)爭(zhēng)。MEMS陀螺儀的快速發(fā)展不斷替代其他陀螺儀。這也是受益于MEMS陀螺儀可以和一系列分立MEMS器件集成實(shí)現(xiàn)“芯片級(jí)導(dǎo)航”。

MEMS陀螺儀其原理與加速度計(jì)工作原理相似，陀螺儀的上層活動(dòng)金屬與下層金屬形成電容，通過(guò)電容變化來(lái)識(shí)別角速率。MEMS陀螺儀很受青睞，提供了高誤差特性、高環(huán)境穩(wěn)定性、高帶寬以及出色的g靈敏度。低成本的MEMS陀螺儀發(fā)展非?？?，性能也在步步提升。

國(guó)產(chǎn)陀螺儀芯片發(fā)展如何？

陀螺儀技術(shù)水平不僅是衡量國(guó)家工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，現(xiàn)在也在各類(lèi)應(yīng)用中用得越來(lái)越廣泛，軍工、工業(yè)、汽車(chē)、消費(fèi)電子設(shè)備都需要陀螺儀這個(gè)關(guān)鍵的傳感器。國(guó)內(nèi)不少研究所、企業(yè)在陀螺儀上持續(xù)耕耘并取得了不俗的成績(jī)和突破。

激光陀螺儀一直是技術(shù)門(mén)檻高、定價(jià)高的代表，不久前中國(guó)自主研發(fā)的新一代激光陀螺儀專(zhuān)用芯片問(wèn)世，據(jù)悉，該芯片由二零八先進(jìn)科技有限公司研發(fā)，核心團(tuán)隊(duì)來(lái)自國(guó)內(nèi)某高水平激光陀螺研究所。該系列芯片由5枚獨(dú)立功能芯片組成，分別實(shí)現(xiàn)激光陀螺的高壓啟動(dòng)、高壓維持、精密穩(wěn)流、抖動(dòng)驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)頻及鎖區(qū)優(yōu)化功能。

該激光陀螺驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片不再采用分立器件的設(shè)計(jì)模式，集成度大幅提高降低了電路設(shè)計(jì)難度，體積重量減少了三分之一，成本下降了近一半，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)激光陀螺儀電路的低成本國(guó)產(chǎn)化，邁出了激光陀螺儀產(chǎn)品高集成化、國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵一步。

光纖陀螺儀應(yīng)用范圍涵蓋從戰(zhàn)略級(jí)武器裝備到商業(yè)級(jí)民用領(lǐng)域，而體積小、低成本、可大規(guī)模批量生產(chǎn)的芯片級(jí)光纖陀螺儀一直是重點(diǎn)難點(diǎn)。去年《中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)》公布了國(guó)內(nèi)芯片光纖陀螺儀的進(jìn)展。根據(jù)中航集團(tuán)618所的披露，他們已經(jīng)利用半導(dǎo)體光刻技術(shù)開(kāi)發(fā)出了芯片光纖陀螺儀。

該研究團(tuán)隊(duì)在米粒大小的硅芯片上創(chuàng)建了光學(xué)纖維和其他組件，該芯片技術(shù)將光纖陀螺儀的尺寸減小到原始產(chǎn)品的十二分之一，精度提升了30%。據(jù)悉該光纖陀螺儀芯片使用的是國(guó)內(nèi)自主248nm DUV光刻技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)仍在優(yōu)化工藝和技術(shù)，性能仍有不少提升空間。

前身為耐威科技的北京賽微電子也自主成功研制過(guò)中高精度閉環(huán)光纖陀螺儀，上市后收購(gòu)了全球領(lǐng)先的MEMS代工廠——瑞典Silex并進(jìn)行轉(zhuǎn)型做MEMS晶圓制造和工藝開(kāi)發(fā)。

隸屬于中國(guó)航天科技集團(tuán)的時(shí)代光電也擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光纖陀螺及系統(tǒng)、MEMS慣性系列化產(chǎn)品。

目前激光和光纖陀螺儀領(lǐng)域的研發(fā)，主要還是以研究所團(tuán)隊(duì)為主。而在MEMS陀螺儀領(lǐng)域，已經(jīng)有不少?gòu)S商在全球行業(yè)內(nèi)嶄露頭角。

去年上市成功的芯動(dòng)聯(lián)科主營(yíng)MEMS陀螺儀，是國(guó)內(nèi)掌握了高性能MEMS陀螺儀核心技術(shù)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)的廠商。旗下MEMS芯片加ASIC的MEMS陀螺儀的核心性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，適應(yīng)性強(qiáng)。

芯動(dòng)聯(lián)科的MEMS 陀螺儀采用靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)的開(kāi)環(huán)閉環(huán)兼容的工作模式，基于SOI體硅工藝采用了獨(dú)特的多質(zhì)量塊全對(duì)稱(chēng)解耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及自校準(zhǔn)自補(bǔ)償電極，能在各種溫度、振動(dòng)等環(huán)境里足夠穩(wěn)定地提供高性能的傳感輸出。

芯動(dòng)聯(lián)科的MEMS 陀螺儀芯片已經(jīng)發(fā)布了兩款，XDR2067和XDR330，均是Z軸陀螺儀。XDR2067已經(jīng)做到了±400°/s的滿量程輸出性能，以及低于0.5°/hr零偏不穩(wěn)定性?！?00°/s滿量程的XDR330零偏不穩(wěn)定性可以做到0.1°/hr以下。

深迪半導(dǎo)體作為國(guó)內(nèi)最早進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)商用MEMS芯片的公司之一，也在MEMS陀螺儀芯片研發(fā)上深耕許久，此前也曾收購(gòu)了Melexis汽車(chē)級(jí)單軸MEMS陀螺儀產(chǎn)品線，是國(guó)內(nèi)首家研發(fā)成功并量產(chǎn)商用消費(fèi)級(jí)MEMS陀螺儀傳感器的企業(yè)，曾先后發(fā)布擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單軸、三軸MEMS陀螺儀產(chǎn)品。

目前深迪半導(dǎo)體官網(wǎng)上只有SZ007A一款Z軸陀螺儀的信息，量程可變，屬于工業(yè)級(jí)高精陀螺儀。該款產(chǎn)品發(fā)布年限也很久了，深迪也一直基于此在做深度開(kāi)發(fā)，將改良的MEMS陀螺儀應(yīng)用在慣導(dǎo)測(cè)量單元中。其他像SSZ030CG、ST200G這些深迪半導(dǎo)體早年的MEMS陀螺儀產(chǎn)品當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)也都是很出名的MEMS陀螺儀產(chǎn)品。

微元時(shí)代的MUG22系列和MUG100系列也是自主研制全國(guó)產(chǎn)硅基MEMS陀螺儀，核心技術(shù)來(lái)自北京大學(xué)微納電子學(xué)研究院慣性MEMS課題組。除此之外，還有美新半導(dǎo)體、新納傳感、矽?？萍?、格納微等廠商有著基于MEMS陀螺儀技術(shù)做的慣性測(cè)量單元產(chǎn)品。

寫(xiě)在最后

以激光陀螺儀和光纖陀螺儀為代表的高精度光學(xué)陀螺正在從戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用逐步拓展到導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用，在很多領(lǐng)域中得到批量應(yīng)用，普適性不斷增加。MEMS陀螺儀極高的普適性讓其在汽車(chē)和消費(fèi)電子領(lǐng)域率先得到了大量應(yīng)用，并隨著性能的進(jìn)一步提高，工業(yè)級(jí)應(yīng)用也開(kāi)始青睞MEMS陀螺儀。

更低的成本、更高的精度、更小的體積是陀螺儀以及基于陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)持續(xù)在陀螺儀領(lǐng)域研發(fā)的企業(yè)都在這些方向上繼續(xù)努力，這些努力也大大推動(dòng)了各類(lèi)型陀螺儀的國(guó)產(chǎn)化。