電影《星際穿越》里，飛船穿過蟲洞后還能精準(zhǔn)對(duì)接；漆黑深海中，潛艇不依賴衛(wèi)星信號(hào)也能知道往哪兒走。這些場(chǎng)景的背后都離不開一個(gè)核心傳感器——陀螺儀。它能感知物體的旋轉(zhuǎn)和方向，被稱為運(yùn)動(dòng)物體的“定盤星”。
然而，長(zhǎng)期以來，陀螺儀面臨一個(gè)兩難選擇：要么做得又大又貴，精度高；要么做得像芯片一樣小巧，但精度大打折扣。
如今，這一難題有了新的解決方案。國(guó)防科技大學(xué)、南方科技大學(xué)、湖南師范大學(xué)、日本理化學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)的研究者合作，提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種基于尖點(diǎn)突變奇點(diǎn)增強(qiáng)科里奧利效應(yīng)的新型芯片級(jí)陀螺儀。該方案利用數(shù)學(xué)中的尖點(diǎn)奇點(diǎn)概念，如同給微小信號(hào)裝上了“放大器”，成功讓芯片級(jí)陀螺儀的精度提升近300倍，信噪比提高253倍。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然》。
奇點(diǎn)增強(qiáng)微機(jī)電陀螺概念圖。受訪者供圖
小陀螺的大困境
陀螺儀是一種檢測(cè)角速度的傳感器，應(yīng)用十分廣泛。小到手機(jī)、智能手環(huán)，大到無人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車、衛(wèi)星探測(cè)器，都能見到它的身影。簡(jiǎn)單來說，陀螺儀是不依賴外界信號(hào)，就能精準(zhǔn)測(cè)量物體旋轉(zhuǎn)角度和速度的“慣性導(dǎo)航器官”。
陀螺儀的核心原理是科里奧利效應(yīng)。想象你站在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤上，從中心徑直走向邊緣。奇妙的事情發(fā)生了——從外部視角觀察，你行進(jìn)的軌跡并非直線，而是彎曲的弧線。你明明往前走，卻像被一個(gè)看不見的“神秘力量”推偏了。這個(gè)現(xiàn)象就是科里奧利效應(yīng)。陀螺儀利用這一原理，即內(nèi)部一個(gè)來回振動(dòng)的質(zhì)量塊在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)被科里奧利效應(yīng)推偏，通過檢測(cè)偏轉(zhuǎn)量算出角速度。
目前，主流的陀螺儀分為兩類：一是高端宏觀陀螺儀，如半球諧振陀螺儀，精度極高、穩(wěn)定性強(qiáng)，是航空航天、戰(zhàn)略導(dǎo)航的“標(biāo)配”，但體積大、重量沉、價(jià)格昂貴，一臺(tái)設(shè)備動(dòng)輒數(shù)十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)元，根本無法裝進(jìn)手機(jī)、無人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車等設(shè)備；另一類是芯片級(jí)科里奧利振動(dòng)陀螺儀，通過微機(jī)電技術(shù)把核心器件做到指甲蓋大小，完美契合小型化、低成本、易集成的需求。
然而，芯片陀螺儀有一個(gè)致命短板——微型化的同時(shí)，靈敏度和精度大幅下降。隨著器件尺寸縮小到毫米甚至微米級(jí)，內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的布朗噪聲會(huì)急劇增強(qiáng)，而決定芯片陀螺儀信號(hào)強(qiáng)弱的核心參數(shù)——本征科里奧利因子，存在物理上限，無法突破。這就導(dǎo)致當(dāng)物體發(fā)生微小旋轉(zhuǎn)時(shí)，芯片陀螺儀產(chǎn)生的信號(hào)極其微弱，直接被噪聲“淹沒”，根本無法精準(zhǔn)測(cè)量。
“能否在降噪的同時(shí)放大科里奧利效應(yīng)本身？”論文通訊作者、湖南師范大學(xué)教授景輝表示，既要保留芯片陀螺儀小、輕、便宜的優(yōu)勢(shì)，又要讓它的靈敏度、信噪比、穩(wěn)定性向高端宏觀陀螺儀靠攏。傳統(tǒng)思路是從材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)改良、電路降噪入手，但“微型化必然犧牲性能”幾乎成了一條鐵律，始終難以突破，導(dǎo)致芯片陀螺儀只能在中低端場(chǎng)景應(yīng)用，高端導(dǎo)航領(lǐng)域始終被大型陀螺儀壟斷。
把物理“放大鏡”裝進(jìn)芯片
那么，有沒有辦法打破這條鐵律？
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)的思路非常巧妙：既然信號(hào)天生微弱，那能不能發(fā)明一種放大機(jī)制，將原本微小的旋轉(zhuǎn)輸入，在輸出端被“撐大”之后再讀取？
順著這一思路，團(tuán)隊(duì)引入奇點(diǎn)物理概念，提出尖點(diǎn)突變奇點(diǎn)增強(qiáng)科里奧利效應(yīng)的全新機(jī)制，相當(dāng)于給微弱的旋轉(zhuǎn)信號(hào)裝上了一個(gè)天然“放大鏡”，從物理根源上突破性能瓶頸。
奇點(diǎn)物理是研究系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生突變的前沿物理領(lǐng)域，而尖點(diǎn)突變奇點(diǎn)是其中一種特殊的臨界點(diǎn)——在普通系統(tǒng)里，輸入變化小，輸出變化也小；但在尖點(diǎn)奇點(diǎn)附近，極其微小的輸入變化就能引發(fā)輸出的指數(shù)級(jí)放大。這種非線性放大特性，正是芯片陀螺儀急需的能力。
在傳統(tǒng)芯片陀螺儀中，旋轉(zhuǎn)角速度和輸出信號(hào)是線性關(guān)系，角速度小，輸出信號(hào)就弱，很容易被噪聲覆蓋。而該團(tuán)隊(duì)通過技術(shù)手段，讓芯片陀螺儀的核心器件穩(wěn)定工作在三階尖點(diǎn)突變奇點(diǎn)附近，打破信號(hào)響應(yīng)規(guī)律。
“我們采用直徑僅4毫米的片上硅基圓盤諧振器作為核心器件。這個(gè)微型硅盤能產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱的振動(dòng)模式，就像兩個(gè)同步擺動(dòng)的微型擺錘。”論文通訊作者、南方科技大學(xué)教授周鑫表示，團(tuán)隊(duì)通過電靜力驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)和調(diào)諧技術(shù)，精準(zhǔn)控制兩個(gè)振動(dòng)模式的耦合關(guān)系；再引入相位跟蹤控制和模態(tài)剛度耦合，在相位跟蹤頻率空間中成功構(gòu)建并鎖定尖點(diǎn)突變結(jié)構(gòu)，讓系統(tǒng)始終穩(wěn)定運(yùn)行在奇點(diǎn)附近。
在傳統(tǒng)模式下，角速度增加1倍，輸出信號(hào)僅增加1倍；而在奇點(diǎn)模式下，角速度增加一點(diǎn)點(diǎn)，輸出信號(hào)就會(huì)被放大數(shù)百倍。微弱的旋轉(zhuǎn)信號(hào)瞬間被放大數(shù)百倍，再也不會(huì)被噪聲淹沒。
團(tuán)隊(duì)在溫控角速率轉(zhuǎn)臺(tái)上開展了嚴(yán)苛的旋轉(zhuǎn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果遠(yuǎn)超預(yù)期：有效科里奧利因子從固有值0.588飆升至594，提升約1010倍，信號(hào)產(chǎn)生能力直接突破物理上限；信噪比相較于傳統(tǒng)模式提升253倍，微弱信號(hào)清晰可辨，噪聲干擾被大幅壓制；測(cè)量精度提升297倍，微小旋轉(zhuǎn)測(cè)量誤差大幅降低。
更關(guān)鍵的是，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，尖點(diǎn)奇點(diǎn)不僅能放大頻率調(diào)制信號(hào)，還能實(shí)現(xiàn)超靈敏相位調(diào)制讀出。相比頻率信號(hào)，相位信號(hào)對(duì)器件溫度漂移、頻率波動(dòng)等干擾具有天然“抵抗力”，穩(wěn)定性更強(qiáng)。基于這一機(jī)制，團(tuán)隊(duì)奇點(diǎn)增強(qiáng)相位調(diào)制陀螺儀，其角度隨機(jī)游走比當(dāng)前最先進(jìn)的硅基芯片陀螺儀還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
重塑微型導(dǎo)航格局
景輝表示，該研究的重要性不僅在于做出了一個(gè)更靈敏的陀螺儀，更在于提出了一種新的傳感器設(shè)計(jì)范式，突破了傳統(tǒng)觀點(diǎn)中“微型化會(huì)導(dǎo)致信噪比下降”的物理限制。過去傳感器性能提升通常依賴于更好的材料、更高的品質(zhì)因子、更精細(xì)的加工工藝和更強(qiáng)的降噪算法。而這項(xiàng)工作表明，系統(tǒng)本身的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)也可以被設(shè)計(jì)成一種“響應(yīng)放大器”。
據(jù)介紹，該成果未來有望服務(wù)于無GPS導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、先進(jìn)機(jī)器人(14.870, 0.08, 0.54%)、無人機(jī)、消費(fèi)電子和微小衛(wèi)星等應(yīng)用場(chǎng)景，并可拓展至環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療傳感、地震探測(cè)、重力測(cè)量等需要極高靈敏度的測(cè)量系統(tǒng)。
“比如在室內(nèi)導(dǎo)航、地下車庫(kù)、偏遠(yuǎn)山區(qū)等無GPS信號(hào)場(chǎng)景，手機(jī)、智能手表、AR/VR設(shè)備可搭載高性能芯片陀螺儀，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和姿態(tài)跟蹤，解決無信號(hào)就迷路的痛點(diǎn)。”周鑫介紹道，“微小衛(wèi)星受體積、重量、成本限制，無法搭載大型陀螺儀。高性能芯片陀螺儀可作為核心導(dǎo)航器件，助力微小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高精度姿態(tài)控制、軌道維持，大幅降低太空探索門檻；同時(shí)，可讓無人機(jī)、低空飛行器等實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)、高精度穩(wěn)定飛行；民用直升機(jī)、小型飛機(jī)搭載該陀螺儀，可提升飛行安全性和操控穩(wěn)定性。”未來，團(tuán)隊(duì)將圍繞尖點(diǎn)突變奇點(diǎn)增強(qiáng)芯片陀螺儀的產(chǎn)品化開展進(jìn)一步研究，并將尖點(diǎn)突變奇點(diǎn)增強(qiáng)原理拓展到其他傳感領(lǐng)域。
