電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）導航技術(shù)，不論在消費級市場、工業(yè)級市場、汽車市場還是軍用市場，都是一項核心技術(shù)，通過測定運動物體每時每刻和位置有關(guān)的參數(shù)，從而實現(xiàn)對運動物體的定位，并正確地從出發(fā)點沿著預定的路線將運動物體引導至目的地。

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

慣性導航系統(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景下隨時作業(yè)，實現(xiàn)衛(wèi)星導航系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。在高精度的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中，陀螺儀是絕對的核心。

慣導核心——陀螺儀

陀螺儀是慣性導航系統(tǒng)中的核心器件之一，其精度直接決定了慣導系統(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。

先不說正在快速迭代普及應用中的半球諧振陀螺儀，很長一段時間以來，激光陀螺儀都是中高精度慣導系統(tǒng)中的核心慣性基準系統(tǒng)的選擇。尤其是高精度高端應用中，其主導地位是不可替代的。但激光陀螺儀成本非常高，在民用應用上普適性較低。

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，在車輛導航、機械控制等廣泛領域取得應用，精確自主導航的競爭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，通過薩格納克效應來檢測外界環(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之一。

光纖陀螺儀FOG也基于薩格納克效應來檢測外界環(huán)形的旋轉(zhuǎn)角速度，以光導纖維線圈為基礎，可以通過改變光纖的長度或光在線圈中的循環(huán)傳播次數(shù)來實現(xiàn)不同的精度，具有較寬的動態(tài)范圍。

光纖陀螺儀FOG是全固態(tài)器件，結(jié)構(gòu)簡單沒有摩擦部件，所有使用壽命也相對較長。當然，成本足夠低也是它能廣泛應用的基礎，與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，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也面臨著新的競爭。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器件集成實現(xiàn)“芯片級導航”。

MEMS陀螺儀其原理與加速度計工作原理相似，陀螺儀的上層活動金屬與下層金屬形成電容，通過電容變化來識別角速率。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)展非常快，性能也在步步提升。

國產(chǎn)陀螺儀芯片發(fā)展如何？

陀螺儀技術(shù)水平不僅是衡量國家工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一，現(xiàn)在也在各類應用中用得越來越廣泛，軍工、工業(yè)、汽車、消費電子設備都需要陀螺儀這個關(guān)鍵的傳感器。國內(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和突破。

激光陀螺儀一直是技術(shù)門檻高、定價高的代表，不久前中國自主研發(fā)的新一代激光陀螺儀專用芯片問世，據(jù)悉，該芯片由二零八先進科技有限公司研發(fā)，核心團隊來自國內(nèi)某高水平激光陀螺研究所。該系列芯片由5枚獨立功能芯片組成，分別實現(xiàn)激光陀螺的高壓啟動、高壓維持、精密穩(wěn)流、抖動驅(qū)動、穩(wěn)頻及鎖區(qū)優(yōu)化功能。

該激光陀螺驅(qū)動專用芯片不再采用分立器件的設計模式，集成度大幅提高降低了電路設計難度，體積重量減少了三分之一，成本下降了近一半，實現(xiàn)了我國激光陀螺儀電路的低成本國產(chǎn)化，邁出了激光陀螺儀產(chǎn)品高集成化、國產(chǎn)化的關(guān)鍵一步。

光纖陀螺儀應用范圍涵蓋從戰(zhàn)略級武器裝備到商業(yè)級民用領域，而體積小、低成本、可大規(guī)模批量生產(chǎn)的芯片級光纖陀螺儀一直是重點難點。去年《中國慣性技術(shù)學報》公布了國內(nèi)芯片光纖陀螺儀的進展。根據(jù)中航集團618所的披露，他們已經(jīng)利用半導體光刻技術(shù)開發(fā)出了芯片光纖陀螺儀。

該研究團隊在米粒大小的硅芯片上創(chuàng)建了光學纖維和其他組件，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內(nèi)自主248nm DUV光刻技術(shù)，研究團隊仍在優(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中高精度閉環(huán)光纖陀螺儀，上市后收購了全球領先的MEMS代工廠——瑞典Silex并進行轉(zhuǎn)型做MEMS晶圓制造和工藝開發(fā)。

隸屬于中國航天科技集團的時代光電也擁有完全自主知識產(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域的研發(fā)，主要還是以研究所團隊為主。而在MEMS陀螺儀領域，已經(jīng)有不少廠商在全球行業(yè)內(nèi)嶄露頭角。

去年上市成功的芯動聯(lián)科主營MEMS陀螺儀，是國內(nèi)掌握了高性能MEMS陀螺儀核心技術(shù)并實現(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達到國際先進水平，適應性強。

芯動聯(lián)科的MEMS 陀螺儀采用靜電驅(qū)動、電容檢測的開環(huán)閉環(huán)兼容的工作模式，基于SOI體硅工藝采用了獨特的多質(zhì)量塊全對稱解耦合結(jié)構(gòu)設計及自校準自補償電極，能在各種溫度、振動等環(huán)境里足夠穩(wěn)定地提供高性能的傳感輸出。

芯動聯(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。±100°/s滿量程的XDR330零偏不穩(wěn)定性可以做到0.1°/hr以下。

深迪半導體作為國內(nèi)最早進行設計、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，此前也曾收購了Melexis汽車級單軸MEMS陀螺儀產(chǎn)品線，是國內(nèi)首家研發(fā)成功并量產(chǎn)商用消費級MEMS陀螺儀傳感器的企業(yè)，曾先后發(fā)布擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的單軸、三軸MEMS陀螺儀產(chǎn)品。

目前深迪半導體官網(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發(fā)，將改良的MEMS陀螺儀應用在慣導測量單元中。其他像SSZ030CG、ST200G這些深迪半導體早年的MEMS陀螺儀產(chǎn)品當時在國內(nèi)也都是很出名的MEMS陀螺儀產(chǎn)品。

微元時代的MUG22系列和MUG100系列也是自主研制全國產(chǎn)硅基MEMS陀螺儀，核心技術(shù)來自北京大學微納電子學研究院慣性MEMS課題組。除此之外，還有美新半導體、新納傳感、矽睿科技、格納微等廠商有著基于MEMS陀螺儀技術(shù)做的慣性測量單元產(chǎn)品。

寫在最后

以激光陀螺儀和光纖陀螺儀為代表的高精度光學陀螺正在從戰(zhàn)術(shù)級應用逐步拓展到導航級應用，在很多領域中得到批量應用，普適性不斷增加。MEMS陀螺儀極高的普適性讓其在汽車和消費電子領域率先得到了大量應用，并隨著性能的進一步提高，工業(yè)級應用也開始青睞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航系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，國內(nèi)持續(xù)在陀螺儀領域研發(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了各類型陀螺儀的國產(chǎn)化。