法國(guó)CEA-Leti實(shí)驗(yàn)室成功研制工作頻率達(dá)到50kHz的MEMS陀螺儀

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，CEA-Leti近日發(fā)布了全球首款工作頻率達(dá)到50kHz的MEMS & NEMS(簡(jiǎn)稱：M&NEMS，中文名稱：微納機(jī)電系統(tǒng))陀螺儀，超越了在惡劣環(huán)境下工作的常規(guī)MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))陀螺儀振動(dòng)頻率。

法國(guó)CEA Leti科學(xué)家通過與米蘭理工大學(xué)(Politecnico di Milano)研究人員合作，開發(fā)出了這款可以在汽車、工業(yè)以及航空等惡劣環(huán)境下工作的高性能M&NEMS陀螺儀。這一突破性研究成果證實(shí)，這種高性能陀螺儀即使處于高頻系統(tǒng)振動(dòng)中也能探測(cè)極微小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

如今，慣性傳感器已經(jīng)滲透至我們?nèi)粘Ｉ钪校瑫r(shí)還需要滿足不斷提高的微型化、成本、性能和魯棒性要求。對(duì)于某些汽車、工業(yè)和軍事應(yīng)用，陀螺儀必須能夠在強(qiáng)烈的持續(xù)振動(dòng)環(huán)境中檢測(cè)到每小時(shí)1°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變化(注：地球自轉(zhuǎn)的角速度大約是每小時(shí)15°)。

低功耗MEMS陀螺儀憑借體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：它們可以監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置、滾動(dòng)、俯仰和偏航，從而實(shí)現(xiàn)精確的控制;在汽車應(yīng)用中，集成MEMS陀螺儀的電子穩(wěn)定控制(ESC)系統(tǒng)可以提高車輛的穩(wěn)定性;它們還可以用于無人駕駛系統(tǒng)的航位推算;此外，將它們集成在智能手機(jī)中可以監(jiān)測(cè)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別功能)，在GPS不可用時(shí)，可助力實(shí)現(xiàn)室內(nèi)導(dǎo)航和混合現(xiàn)實(shí)(MR)等應(yīng)用。

這些MEMS陀螺儀通常在給定的諧振頻率下工作，寄生機(jī)械振動(dòng)很少超過40kHz。目前還沒有一種高性能MEMS陀螺儀的諧振頻率遠(yuǎn)大于20kHz，即高于寄生振動(dòng)的頻帶。當(dāng)諧振頻率接近環(huán)境振動(dòng)的頻率時(shí)，機(jī)械干擾會(huì)使測(cè)量結(jié)果失真。通過與米蘭理工大學(xué)合作，CEA Leti科學(xué)家開發(fā)出了一款工作頻率達(dá)到50kHz的M&NEMS陀螺儀(基于NEMS傳感技術(shù)的MEMS陀螺儀)，比傳統(tǒng)MEMS陀螺儀的性能高出兩倍以上，甚至超過了汽車、工業(yè)和航空等惡劣環(huán)境常見的振動(dòng)頻率。

CEA Leti科學(xué)家在論文中稱：“盡管很多應(yīng)用要求MEMS陀螺儀能夠提高對(duì)20kHz以上振動(dòng)的魯棒性，但是由于頻率提高會(huì)導(dǎo)致MEMS陀螺儀的性能惡化，因此，目前最先進(jìn)MEMS陀螺儀的工作頻率仍在該數(shù)值的附近。我們的這項(xiàng)研究證明，基于NEMS傳感技術(shù)的MEMS陀螺儀可以在具有更高的工作頻率，考慮到芯片面積和功耗等因素，它們?cè)谠肼暋⒎€(wěn)定性和寄生模態(tài)等方面具有卓越的性能?！?/p>

CEA-Leti的MEMS業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理、高級(jí)專家Philippe Robert評(píng)價(jià)稱：“為了在不降低傳感器性能的前提下提高M(jìn)EMS陀螺儀的工作頻率，我們用超靈敏壓阻納米應(yīng)變計(jì)取代了常規(guī)MEMS陀螺儀的電容檢測(cè)。這款芯片面積僅為1.5平方毫米的新型高頻陀螺儀已經(jīng)申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，在偏壓、噪聲、線性度等方面都超越了目前的最先進(jìn)水平?！?/p>

米蘭理工大學(xué)電子、信息技術(shù)和生物工程系MEMS和微型傳感器實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Giacomo Langfelder說：“過去15年來，我一直在研究多種MEMS技術(shù)，可以肯定的是，M&NEMS技術(shù)優(yōu)勢(shì)在未來的一些應(yīng)用中非常突出。”

這些新型MEMS器件在CEA-Leti的硅基試驗(yàn)線生產(chǎn)，并與大多數(shù)MEMS代工廠的工藝兼容。它們的制造基于CEA-Leti的M&NEMS技術(shù)平臺(tái)，根據(jù)需要，這款MEMS陀螺儀可以與3軸MEMS加速度計(jì)和/或高性能MEMS壓力傳感器一起集成在單顆芯片上。