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精確慣導(dǎo)系統(tǒng)核心陀螺儀發(fā)展,國產(chǎn)陀螺儀技術(shù)實力正穩(wěn)步提升

Robot Vision ? 來源:電子發(fā)燒友 ? 作者:Sisyphus ? 2024-02-24 00:32 ? 次閱讀
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電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/李寧遠)導(dǎo)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(yù)定的路線將運動物體引導(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、無線電導(dǎo)航等諸多熱門技術(shù)路線。衛(wèi)星導(dǎo)航想必大家都不會陌生,是我們?nèi)粘I钪谐S玫囊环N導(dǎo)航技術(shù)。實際上,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景下隨時作業(yè),實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法實現(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。

先不說正在快速迭代普及應(yīng)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(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,在車輛導(dǎo)航、機械控制等廣泛領(lǐng)域取得應(yīng)用,精確自主導(dǎo)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(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,通過薩格納克效應(yīng)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之一。

光纖陀螺儀FOG也基于薩格納克效應(yīng)來檢測外界環(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(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(dǎo)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???,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(biāo)志之一,現(xiàn)在也在各類應(yīng)用中用得越來越廣泛,軍工、工業(yè)、汽車、消費電子設(shè)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(shè)計模式,集成度大幅提高降低了電路設(shè)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(yīng)用范圍涵蓋從戰(zhàn)略級武器裝備到商業(yè)級民用領(lǐng)域,而體積小、低成本、可大規(guī)模批量生產(chǎn)的芯片級光纖陀螺儀一直是重點難點。去年《中國慣性技術(shù)學(xué)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(dǎo)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(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(lǐng)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(lǐng)域的研發(fā),主要還是以研究所團隊為主。而在MEMS陀螺儀領(lǐng)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(biāo)達到國際先進水平,適應(yīng)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(shè)計及自校準(zhǔn)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(dǎo)體作為國內(nèi)最早進行設(shè)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(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(yīng)用在慣導(dǎo)測量單元中。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(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(xué)陀螺正在從戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用逐步拓展到導(dǎo)航級應(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和消費電子領(lǐng)域率先得到了大量應(yīng)用,并隨著性能的進一步提高,工業(yè)級應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢,國內(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了各類型陀螺儀的國產(chǎn)化。

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