CEA Leti发布全球最小的高性能导航级MEMS陀螺仪
2021-11-23 20:12:53   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，法国研究机构CEA Leti的科学家与米兰理工大学（POLIMI）的研究人员合作开发了一款全球最小的MEMS陀螺仪，能够提供导航级性能，通过利用纳米电阻传感技术，其传感器占位面积仅为1.3 mm²。

低功耗MEMS陀螺仪在我们的日常生活中已经无处不在，它们广泛用于监测和控制设备的位置、方位、方向、角运动和旋转等。随着汽车辅助驾驶系统、自动驾驶系统以及其他自动化功能的不断发展，对系统性能和鲁棒性的需求显著增长，进而对惯性导航系统的小型化和成本控制提出了更高的需求。

为了满足高性能惯性测量单元（IMU）的新需求，这些陀螺仪必须达到导航级性能，这意味着与目前最好的商用MEMS陀螺仪相比，性能还要提高一到两个数量级。因此，它们需要远低于0.1°/hr的偏置不稳定性和小于0.01°/√hr的角随机游走（ARW）。

CEA Leti与POLIMI合作实现了上述目标，用最小尺寸的MEMS陀螺仪展示了与最先进技术相匹配的性能。该研究成果已发表于Microelectromechanical Systems，论文标题为“1.3 mm² Nav-Grade NEMS-Based Gyroscope”。

CEA Leti高级专家、MEMS业务开发经理Philippe Robert表示：“为了在汽车和消费等大批量市场具有竞争力，这种性能的提高不能以高昂的成本为代价。因此，这些新型陀螺仪的每轴尺寸不能超过2 mm²，同时还需要采用相对标准的MEMS工艺技术，并使用晶圆级真空封装。”

据论文报道，CEA Leti基于硅纳米测量器件的高灵敏度传感器专业知识，结合POLIMI在陀螺仪设计方面的专业知识，新开发的MEMS陀螺仪解决方案“在多个测试样本上平均达到了0.004°/√hr ARW和0.02°/hr的稳定性，对于占位面积仅1.3 mm²的陀螺仪而言，这个结果无与伦比”。

为了降低制造成本，该团队重点聚焦了传感器的尺寸和制造工艺的鲁棒性，尤其是真空晶圆级封装。CEA Leti和POLIMI基于NEMS的陀螺仪完美兼容面向汽车等大批量市场的标准MEMS代工厂。他们还在研究3轴陀螺仪的协同集成，其可行性已经得到证明，目标是3轴都提供相同水平的性能。

此外，为了应对GPS中断时的短期导航、室内导航、平台稳定、工业4.0机器人精确运动控制、弹药制导等广泛应用，团队确保了大于25 kHz的谐振频率，以承受传统振动环境。

CEA Leti导航级MEMS陀螺仪对比当前最佳的商用陀螺仪

导航级MEMS陀螺仪俯视图，伪色图突出显示

“这种架构使我们开发的新款MEMS陀螺仪在整体性能、尺寸和谐振频率方面成为同类最佳，这款突破性1.3 mm²高频器件在噪声、偏置稳定性、量程和带宽方面已经达到了最先进的性能。”Robert说，“不仅如此，一些设计和技术改进仍在持续调研中。”

目前，这款MEMS陀螺仪在CEA Leti的硅试验生产线上完成制造，可以与高性能3轴MEMS加速度计和气压传感器共同集成。由于它与大多数MEMS制造工艺兼容，该技术预计能够在两年内进入市场。

CEA Leti和POLIMI的陀螺仪技术拥有5项以上专利保护，CEA Leti的M&NEMS平台受到25项以上专利保护。研发团队正在继续努力提高性能、集成度并降低成本。

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