精確慣導系統核心陀螺儀發展，國產陀螺儀技術實力正穩步提升

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

根據導航信息獲取原理的不同，導航技術有著慣性導航、衛星導航、無線電導航等諸多熱門技術路線。衛星導航想必大家都不會陌生，是我們日常生活中常用的一種導航技術。實際上，慣性導航系統的出現要比衛星導航系統更早，早了半個多世紀。

慣性導航系統不僅能夠提供位置信息，還能解析載體姿態信息，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，實現衛星導航系統無法實現的功能。在高精度的捷聯慣導系統中，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中的核心器件之一，其精度直接決定了慣導系統的整體精度。陀螺儀已經歷經了幾代技術更迭，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中的核心慣性基準系統的選擇。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一度成為環形激光陀螺儀RLG的低成本替代。接著隨著MEMS技術的興起，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展。

激光陀螺儀，最早掀起了世界范圍內的自主導航革命。發展到現在，環形激光陀螺儀RLG已經是成熟且性能優越的代表。環形激光陀螺儀RLG采用環式激光儀，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形的旋轉角速度，具有很高的精度和優良的特性。

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形的旋轉角速度，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傳播次數來實現不同的精度，具有較寬的動態范圍。

光纖陀螺儀FOG是全固態器件，結構簡單沒有摩擦部件，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“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、高環境穩定性、高帶寬以及出色的g靈敏度。低成本的MEMS陀螺儀發展非?？?，性能也在步步提升。

國產陀螺儀芯片發展如何？

陀螺儀技術水平不僅是衡量國家工業技術發展水平的重要標志之一，現在也在各類應用中用得越來越廣泛，軍工、工業、汽車、消費電子設備都需要陀螺儀這個關鍵的傳感器。國內不少研究所、企業在陀螺儀上持續耕耘并取得了不俗的成績和突破。

激光陀螺儀一直是技術門檻高、定價高的代表，不久前中國自主研發的新一代激光陀螺儀專用芯片問世，據悉，該芯片由二零八先進科技有限公司研發，核心團隊來自國內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，分別實現激光陀螺的高壓啟動、高壓維持、精密穩流、抖動驅動、穩頻及鎖區優化功能。

該激光陀螺驅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，實現了我國激光陀螺儀電路的低成本國產化，邁出了激光陀螺儀產品高集成化、國產化的關鍵一步。

光纖陀螺儀應用范圍涵蓋從戰略級武器裝備到商業級民用領域，而體積小、低成本、可大規模批量生產的芯片級光纖陀螺儀一直是重點難點。去年《中國慣性技術學報》公布了國內芯片光纖陀螺儀的進展。根據中航集團618所的披露，他們已經利用半導體光刻技術開發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建了光學纖維和其他組件，該芯片技術將光纖陀螺儀的尺寸減小到原始產品的十二分之一，精度提升了30%。據悉該光纖陀螺儀芯片使用的是國內自主248nm DUV光刻技術，研究團隊仍在優化工藝和技術，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并進行轉型做MEMS晶圓制造和工藝開發。

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權的光纖陀螺及系統、MEMS慣性系列化產品。

目前激光和光纖陀螺儀領域的研發，主要還是以研究所團隊為主。而在MEMS陀螺儀領域，已經有不少廠商在全球行業內嶄露頭角。

去年上市成功的芯動聯科主營MEMS陀螺儀，是國內掌握了高性能MEMS陀螺儀核心技術并實現穩定量產的廠商。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。

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

芯動聯科的MEMS 陀螺儀芯片已經發布了兩款，XDR2067和XDR330，均是Z軸陀螺儀。XDR2067已經做到了±400°/s的滿量程輸出性能，以及低于0.5°/hr零偏不穩定性?！?00°/s滿量程的XDR330零偏不穩定性可以做到0.1°/hr以下。

深迪半導體作為國內最早進行設計、生產商用MEMS芯片的公司之一，也在MEMS陀螺儀芯片研發上深耕許久，此前也曾收購了Melexis汽車級單軸MEMS陀螺儀產品線，是國內首家研發成功并量產商用消費級MEMS陀螺儀傳感器的企業，曾先后發布擁有自主知識產權的單軸、三軸MEMS陀螺儀產品。

目前深迪半導體官網上只有SZ007A一款Z軸陀螺儀的信息，量程可變，屬于工業級高精陀螺儀。該款產品發布年限也很久了，深迪也一直基于此在做深度開發，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陀螺儀產品當時在國內也都是很出名的MEMS陀螺儀產品。

微元時代的MUG22系列和MUG100系列也是自主研制全國產硅基MEMS陀螺儀，核心技術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?？萍?、格納微等廠商有著基于MEMS陀螺儀技術做的慣性測量單元產品。

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術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未來的發展趨勢，國內持續在陀螺儀領域研發的企業都在這些方向上繼續努力，這些努力也大大推動了各類型陀螺儀的國產化。