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近日，美国加利福尼亚技术学院的研究人员在美国国防高级研究计划局（DARPA）的支持下，结合光学和微机电系统（MEMS）的优势，研发出概念验证的陀螺仪，体积是现有最先进器件体积的1/500（约为米粒大小）；在精度方面，能够检测的“相位移动”是现有系统的1/30，提升性能达到1-2个数量级；由于没有可移动的部件，稳定度也更高，可用于可穿戴设备、纳米平台和其他应用，提高手持式设备和其他小型设备的导航精度。 研究背景 目前有两种广泛用于导航和控制的陀螺仪：光学陀螺仪非常灵敏但成本较高、体积大，即使当前最小的高性能光学陀螺仪仍无法用于多种便携式应用；MEMS陀螺仪便宜且易于制造，但精度相对低，易受震动和温度影响。多年以来，工程师一直希望能集合两者之长，实现集成纳米光学陀螺仪，既具有光学陀螺仪精度，又具备MEMS陀螺仪一样体积小、易制造、成本低等优点。 萨格纳克效应 萨格纳克效应（Sagnac Effect）是1913年萨格纳克发明的一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。两个光波将具有相等的传播时间。当在环路平面内有旋转角速度时，每个波到达旋转路径上特定点的时间会有所不同。该差异提供了旋转速率的量度，并且可以通过测量两个光波之间的干涉来精确地确定。萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。萨格纳克效应已经得到广泛的应用，由萨格纳克效应研制出的光子陀螺已成功地用于航空、航天等领域，是近20年发展较快的一种陀螺仪。 技术原理 萨格纳克效应。新型陀螺仪核心是光学设备，并且与所有光学陀螺仪一样，它使用萨格纳克效应来测量旋转，然后将数据转换为方向、速度和位置。新的陀螺仪通过测量两条光路上的不同来测量旋转率。一束光分成两束，沿着光路按相反的方向传播，并在同一光探测器处会面。由于光速固定，旋转导致一束光在另外一束光之前到达，该相位变化可被用于计算出方向。在新研制的陀螺仪中，光在微型光波导中传输，微型光波导大约是200纳米高，或大约是人体头发的3倍。光路上的缺陷，如热波动、光散射和其他干扰因素，会以同样的方式干扰两束光。 互敏感提升。全集成纳光陀螺仪通过“互敏感提升”来取得改进。在该技术中，“互”表示两束光以相同方式受到影响。研究团队找到了方式能够提取互噪声，同时保留来自萨格纳克效应的信号，提升了陀螺仪的互敏感性，改变了信噪比，并支持将陀螺仪集成到这样的小芯片上。 硅纳米光电工艺。研究人员使用硅纳米光电制造工艺，制造过程使用光刻技术刻蚀几条非常薄的硅和二氧化硅层。系统尺寸是2X1X2立方毫米。因为与现有批量生产技术的兼容性和具备的可靠性，成为在微观尺寸实现光陀螺仪的理想平台，还提供了将纳米光电器件和电子器件集成到一个衬底上的能力，有助于实现商业化和控制成本。 重复循环加强效应。光陀螺仪有两种，一是在激光陀螺仪中，环路由一系列反射光的离散反射镜组成。二是在光纤陀螺仪中使用长数百米甚至数千米的光纤线轴来形成路径。在新的陀螺仪中，路径是圆形硅胶盘。磁盘中的高频振动通过称为受激布里渊散射的过程产生激光束。尽管新陀螺仪中的短光路使设备保持较小，但会导致灵敏度降低。为了弥补这一点，光线被“回收”，并可以反复绕圈，从而产生更强的萨格纳克效应和更高的旋转灵敏度。 优势 与MEMS陀螺仪相比，新的陀螺仪可提高灵敏度，而且因为没有活动部件，更能抵抗振动和冲击。这种可恢复性是研究人员对芯片尺寸的光陀螺仪感兴趣的原因之一。研究人员表示，“在陀螺仪中唯一能移动的部件是，以在一堆非常小的环路中传播的光子，每秒数千亿次，由旋转带来的通路长度上极端小的变化都可以测量”。 下一步工作 加州理工学院的团队将继续研究这些器件，目前已经在研究现有原型的下一代产品。 资料来源 https://www./mechanical-motion-systems/article/21125669/new-gyroscope-borrows-the-best-from-mems-and-optical-devices https://www./topics-resources/content/tiny-gyroscope-aims-improve-wearable-nano
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