CEA-Leti的科学家与Politecnico di Milano的研究人员合作,开发出了世界上第一款高性能陀螺仪,可在恶劣的环境下运行,例如工业和航空设备以及汽车。这一突破证明了即使在系统振动中也可以检测到微小的旋转运动。

 

惯性传感器在日常物品中很常见,必须设计为满足日益增长的微型化和成本约束,以及对性能和耐用性的要求。对于某些汽车,工业和军事应用,陀螺仪必须能够在受到强烈且持续的振动的环境中检测到每小时一度的变化,即旋转速度比地球慢约十倍。

 

低功耗MEMS陀螺仪因其占地面积小和功耗低而被广泛应用于多个领域。他们可以监视和控制设备的位置,方向,方向,角运动和旋转。它们集成到汽车中,通过电子稳定控制系统改善了车辆的稳定性。它们也可用于无人驾驶汽车中的航位推算(无需借助天体观测即可确定汽车,轮船或飞机的位置)。它们集成到智能手机中,可以检测单元的旋转和扭曲(手势识别功能),禁用GPS时的室内导航以及混合现实等功能。

 

在无人驾驶汽车中,当GPS被阻塞时(例如在隧道中)以及LiDAR发生故障时,这些陀螺仪可以确保安全导航。

 

器件以给定的谐振频率工作。寄生机械振动很少超过40 kHz。但是,如今,在谐振频率高于寄生振动频段的情况下,还没有谐振频率>> 20 kHz的高性能MEMS陀螺仪。当该频率接近环境振动的频率时,机械干扰会使测量值失真。CEA-Leti研究人员与米兰理工大学(Politecnico di Milano)合作开发了一种陀螺仪,克服了这种失真,该陀螺仪的工作频率约为50 kHz,比传统MEMS陀螺仪的性能高出两倍以上,并且超出了常见的振动频率即使在恶劣的汽车,工业和航空环境中。

 

图片说明:50 kHz M&NEMS陀螺仪的光学显微镜图片(彩色区域详细显示了检测元件)

 

在IEEE SENSORS 2020上的一篇名为“基于NEMS感应,具有1.3 mdps /√HzARW和0.5°/ h稳定性的NEMS感应的论文”中报道了这一突破。

 

 

该论文报道说:“尽管各种应用都需要提高对超过20 kHz的振动的鲁棒性,但由于频率增加会导致性能恶化,因此,最先进的陀螺仪仍在该频率值附近运行。” “这项工作证明,基于NEMS的陀螺仪可以在更大的工作频率下进行设计……在噪声,稳定性和杂散模式方面,对于所考虑的占位面积和(功耗)而言,都具有出色的性能。”

 

“在不降低传感器性能的情况下增加陀螺仪的工作频率,CEA-Leti和POLIMI研究人员用超灵敏的压阻纳米规代替了MEMS陀螺仪的电容检测,” CEA-Leti的MEMS业务开发经理兼高级专家Philippe Robert说。 。“这款新型的1.5mm²高频陀螺仪受到众多专利的保护,在偏置,噪声,线性度和其他条件方面具有超越现有技术的特性。”

 

“信息技术部MEMS和微传感器实验室负责人Giacomo Langfelder表示:“过去15年来,我一直在研究多种MEMS技术,并确保M&NEMS技术的优势在未来的几种应用中都非常出色。”和米兰理工大学生物工程。

 

这些新器件已经在CEA-Leti的硅试验生产线上生产,与大多数MEMS铸造厂的工艺兼容。它们的制造基于M&NEMS技术平台,该平台根据需要允许将陀螺仪与3轴加速度计和/或高性能压力传感器共同集成在单个芯片上。