MEMS盘式谐振陀螺仪（DRG）凭借紧凑结构、高热稳定性和轴对称嵌套环设计，在高精度寻北仪、惯性导航等领域具有较大的应用潜力。传统DRG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，影响了MEMS陀螺精度进一步的提高。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所陈方等提出了一种新型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。研究人员摒弃了传统圆形嵌套环陀螺结构，首次提出了线性多比特Sigma-Delta闭环力反馈测控机制和‌16边形类蜘蛛网状多环嵌套式陀螺仪（CDRG）谐振器设计机制。采用‌内部双电极驱动模式‌和多比特Sigma-Delta闭环调制的工作模式，优化驱动电极布局和激励电压，解决传统MEMS陀螺存在的静电非线性效应、信号混叠、动态范围小、噪声大等问题。实验结果表明，该新型Sigma-Delta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%； MEMS陀螺的零偏不稳定性（BI）从3.88 °/h提高至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。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。

图1 新型类蛛网MEMS多环嵌套式陀螺仪芯片设计与系统组成

图2 该类蛛网Sigma-Delta多环嵌套陀螺仪噪声、零偏不稳定性等测试结果

论文主要完成者和通讯作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所陈方副研究员。该研究工作得到了国家重点研发计划项目-高频响三轴 MEMS 陀螺敏感元件及传感器 （2022YFB3205004）、国家自然科学基金项目（61974156）等支持。