导航级 MEMS 陀螺仪：核心技术突破与发展新趋势

         MEMS 陀螺仪隶属于科氏振动陀螺仪范畴，凭借体积小、质量轻、功耗低的突出优势，成为惯性导航领域的重要研究方向。随着 MEMS 设计技术的迭代升级与国内工艺水平的持续提升，MEMS 陀螺仪的零位噪声水平不断降低，已然具备实现导航级性能的潜力。但想要达成 0.01 (°)/h 零偏稳定性这一导航级性能的中远期目标，该技术在发展过程中仍面临着诸多严峻挑战。

麦姆斯咨询曾报道，南京理工大学苏岩教授团队针对导航级 MEMS 陀螺仪领域展开深入研究，并在《导航与控制》期刊发表题为 “导航级 MEMS 陀螺仪关键技术与发展综述” 的文章。该研究系统梳理了目前国内外公开报道的高性能 MEMS 陀螺仪并归纳其核心特点，总结了近几年国内外研究机构在 MEMS 谐振陀螺仪关键技术上的研究成果，同时探讨了 MEMS 谐振陀螺仪的潜在发展方向，为国内外同行开展 MEMS 科氏力振动陀螺仪结构研究、提升陀螺仪性能提供了重要的参考与借鉴。

根据 IEEE STD 1431 的定义，MEMS 谐振陀螺仪可依据振动模式的性质分为两大类型：一类是 I 型科氏振动陀螺仪，音叉结构为其典型代表构型；另一类是 II 型科氏振动陀螺仪，半球、环形等结构为其代表结构。

工作在频差下的 I 型陀螺仪

历经近 30 年的发展，I 型陀螺仪诞生了诸多经典结构，成为该领域的重要研究成果。2019 年，米兰理工公布了一款基于纳机电系统压阻应力传感的音叉结构陀螺仪，是导航级 I 型陀螺仪的代表性成果。在国内，科研人员也针对音叉结构展开了大量研究工作，取得了一系列进展。

工作在模态匹配的 II 型陀螺仪

与 I 型陀螺仪相比，II 型陀螺仪具备极大的机械灵敏度，而高品质因子也成为 II 型陀螺仪的核心特征。目前，II 型陀螺仪的典型代表主要包括 MEMS 环形陀螺仪、四质量陀螺仪、双框架 / 双傅科摆结构等，各类结构均有其独特的性能优势。

两类 MEMS 陀螺仪的核心特点与发展挑战

I 型 MEMS 谐振陀螺仪的标度因数和增益受品质因子的影响较小，在长期工作条件下性能变化幅度低，稳定性表现优异。但该类型陀螺仪的短板也十分突出：哥式效应带来的机械增益较小，同时电噪声易对结构产生较大的角度随机游走，因此如何提高信噪比，成为 I 型陀螺仪向高性能方向发展的核心挑战。也正因如此，I 型陀螺仪通常采用大质量、大电容的设计，且工作在大频差模式下。

早期的 II 型陀螺仪主要指具备全对称结构的陀螺仪，而随着技术发展，部分类 I 型陀螺仪的构型设计开始采用模态匹配方式工作，并引入 II 型陀螺仪的设计理念以实现高信噪比，因此广义上的 II 型陀螺仪，指的是工作在小频差或模态匹配状态下的陀螺仪。这类陀螺仪的核心特点是工作在模态匹配或近似模态匹配的强耦合模式，其哥氏效应和各类误差都会通过强耦合作用于敏感模态，所以想要实现高性能，其核心挑战在于研发高鲁棒性、高精度的误差控制环路，以及设计低噪声的读出电路。

导航级 MEMS 陀螺仪的研究展望

经过多年的技术积累与科研攻关，国内 MEMS 陀螺仪的研发已取得显著进步，但想要真正实现导航级性能，还需要从多个方面开展更深入的研究，核心研究方向主要包括以下六点：

（1）高参数设计：通过提升品质因子，增大等效质量与检测电容，实现机械热噪声的降低和信噪比的有效提升；

（2）正交解耦：依托轴对称设计和差分输出抑制正交误差，同时结合静电力手段，对残余误差进行补偿与消除；

（3）锚点优化：科学设计锚点的尺寸与分布形式，采用多锚点对称布置的方式，减少寄生电容与能量损耗；

（4）高精度工艺：优化封装工艺与器件层加工流程，提升结构对称度，解决频率裂解等工艺误差相关问题；

（5）低应力封装：采用应力隔离结构，匹配材料的热膨胀系数，提升陀螺仪在全温环境下的工作稳定性；

（6）精准测控：搭建多闭环控制系统，实现模态匹配与正交抑制，同时优化频率调谐与相位解调技术。

MEMS 陀螺仪分 I、II 型，I 型为音叉结构，频差工作，需提升信噪比；II 型含环形、半球等结构，模态匹配，核心挑战在误差控制与低噪声读出电路。国内该技术虽有突破，但若要实现 0.01 (°)/h 导航级性能，还需从高参数设计、正交解耦、精准测控等多方面攻坚。而 Coventor 软件可精准仿真 MEMS 陀螺仪结构设计、优化工艺与性能，助力导航级产品研发！