MEMS盘式谐振式陀螺仪（DRG）凭借紧凑结构、高热稳定性和轴对称嵌套环设计，在高精度MEMS寻北仪等领域具有较大的应用潜力。这种陀螺仪的简并谐振器通过模态匹配显著降低耦合误差，结构的创新设计还解决了频率分裂问题，但制造缺陷仍导致不对称性。质量调整、离子束切割等后处理技术虽能削弱非对角耦合项，却未根除不对称根源。利用微机电sigma-delta架构检测力平衡的技术为MEMS陀螺仪带来力平衡闭环控制与模数转换的优势，但单比特sigma-delta架构却存在稳定性和输入动态范围受限等问题。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所陈方团队与苏州大学电子信息学院团队联合提出了一种可扩展输入动态范围的高精度sigma-delta类蛛网MEMS多环嵌套式陀螺仪。该系统通过引入线性多比特力反馈机制来解决单比特sigma-delta陀螺仪系统的局限性问题，在无需更高的驱动电压情况下有效拓宽了陀螺仪的输入范围。实验结果表明，类蛛网MEMS多环嵌套式陀螺仪在输入动态范围、角度随机游走和偏置不稳定性分别提升了30%、106.2%和487.9%。这项研究成果以“Anti-aliasing multi-bit sigma-delta modulated cobweb-like disk resonator gyroscope with extending input range“为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
这项MEMS陀螺仪设计研究工作摒弃了传统圆形嵌套环结构，采用16边形类蜘蛛网状多环嵌套式陀螺仪（CDRG）谐振器设计，有效减少工艺误差影响，大幅度提高结构对称性。通过质量-刚度解耦方法优化谐振器性能，在保持梁宽不变的前提下显著降低谐振频率，同时提升品质因数（Q）值，从而使得陀螺仪的信噪比得到显著提升，其设计思路如图1所示。
图1 类蛛网MEMS多环嵌套式陀螺仪设计策略
研究人员设计的类蛛网MEMS多环嵌套式陀螺仪频率理论值约为5.586kHz，品质因数为1.59E5。加工后的陀螺仪驱动模态和敏感模态频率分别为5581.1 Hz和5579.8 Hz，频差仅为1.3Hz，品质因数实测值约为1.38E5，与理论值极为接近，说明加工工艺一致性较好，接近理想值。5 kHz器件的相对频率裂解高于18 kHz器件，主要原因可能是5 kHz器件嵌套环的环数过多（有14个环），工艺误差累积误差更大。针对静电非线性效应，提出采用内部双电极驱动模式，通过优化驱动电极布局和激励电压，将临界振荡幅度从1.38 μm提升至1.68 μm，有效降低非线性误差。这一改进为后续sigma-delta闭环测控电路系统的稳定运行奠定了基础。图2展示了该陀螺仪的结构示意图和相关仿真结果。
图2 类蛛网MEMS多环嵌套式陀螺仪的结构示意图与仿真结果
结合设计的抗混叠自时钟多比特sigma-delta力平衡测控电路，采用3级（1.5位）量化器，避免了陀螺仪闭环系统因检测输入幅度增大导致的量化增益下降问题，从而显著提升系统的动态范围。该电路系统相关的设计原理和仿真如图3和图4所示。
图3 抗混叠多比特sigma-delta陀螺仪系统设计原理
图4 类蛛网MEMS多环嵌套式陀螺仪系统部分仿真结果
为了减少噪声信号和寄生模态信号的干扰，sigma-delta调制前增加抗混叠低通滤波器，抑制高频噪声折叠到基带信号。进一步地，通过数字PLL实现谐振频率、采样频率和载波频率同步，完全避免混叠。实验结果表明，该陀螺仪整体噪声性能得到较大的改善，其对应的测试结果如图5所示。
图5 类蛛网MEMS多环嵌套式陀螺仪部分电噪声测试结果
图6展示了该陀螺仪的测试结果，图中分别展示了陀螺仪的频率特性、输入范围、噪声性能和零偏Allan方差结果。从图6(d)中可以看出，这种新型类蛛网MEMS陀螺仪的零偏不稳定性（BI）从3.88 °/h优化至0.66 °/h，角度随机游走（ARW）从0.134 °/√h降至0.065 °/√h，性能达到战术级惯性导航的要求。
图6 类蛛网MEMS多环嵌套式陀螺仪系统测试结果
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00919-1
