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CEA Leti发布全球最小的高性能导航级MEMS陀螺仪

发布时间:2021-11-25 责任编辑:wenwei

【导读】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。


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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。


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CEA Leti导航级MEMS陀螺仪对比当前最佳的商用陀螺仪


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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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