陀螺儀作為一種檢測(cè)外部旋轉(zhuǎn)角速度的器件，可以結(jié)合加速度計(jì)構(gòu)建慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在軍事、工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域的許多應(yīng)用中發(fā)揮著不可替代的作用，例如：慣性導(dǎo)航、航姿參考、角度檢測(cè)等。然而，在無人駕駛航天器、火箭發(fā)射和石油鉆探等涉及極端環(huán)境的應(yīng)用中，陀螺儀芯片會(huì)受到很大的沖擊過載。

例如，導(dǎo)彈在發(fā)射期間過載超過20,000?g，這會(huì)導(dǎo)致陀螺儀中的可動(dòng)懸置元件在大負(fù)載下發(fā)生故障，梳齒等檢測(cè)結(jié)構(gòu)可能斷裂、粘附或被微粒污染。從而使陀螺儀很難恢復(fù)到過載前的狀態(tài)，使其性能嚴(yán)重下降，甚至可能使結(jié)構(gòu)全面損壞，導(dǎo)致陀螺儀失去工作能力。

經(jīng)過多年的發(fā)展，科學(xué)家們提出了利用聲表面波（SAW）陀螺儀來解決過載問題。與MEMS陀螺儀完全不同的是，SAW陀螺儀通常采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)，沒有任何可動(dòng)懸置元件，這使得它們能夠在極端環(huán)境中承受過載。

然而，盡管SAW陀螺儀作為一種傳感機(jī)制具有巨大的潛力，但它仍然面臨許多挑戰(zhàn)，例如測(cè)量限制、靈敏度下降以及溫度補(bǔ)償?shù)?。幸運(yùn)的是，光學(xué)探測(cè)方法為其提供了一種改進(jìn)性能的新方法，其高靈敏度、高穩(wěn)定性和低噪聲特性有助于精確測(cè)量。根據(jù)聲光效應(yīng)，光學(xué)探測(cè)方法和SAW技術(shù)可以結(jié)合起來測(cè)量固體介質(zhì)中機(jī)械應(yīng)變引起的折射率變化，實(shí)現(xiàn)陀螺面外角速度檢測(cè)。

西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師常洪龍及其團(tuán)隊(duì)提出并數(shù)值研究了一種全新的基于聲光效應(yīng)的高靈敏度行波陀螺儀，用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度。與傳統(tǒng)SAW陀螺儀利用SAW頻率變化來表征旋轉(zhuǎn)角速度不同，本研究利用聲光效應(yīng)檢測(cè)由機(jī)械應(yīng)變引起的折射率變化，通過光波導(dǎo)的輸出光功率強(qiáng)度測(cè)量角速度。這項(xiàng)研究成果已發(fā)表于近期發(fā)行的Microsystems & Nanoengineering。

新型行波陀螺儀的工作原理

研究人員利用三維有限元分析方法建立了SAW激勵(lì)模型和光學(xué)檢測(cè)模型。研究表明，SAW陀螺儀的靈敏度高度依賴結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，在外部角速度的作用下，通過光功率強(qiáng)度可以有效地測(cè)量SAW行波引起的機(jī)械應(yīng)變。所提出結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性通過所實(shí)現(xiàn)的1.8647 (mW/m2)/(rad/s)理論靈敏度和220,000?g高抗沖擊性得到了證實(shí)。

通過歸一化，與傳統(tǒng)SAW陀螺儀相比，本研究所提出的結(jié)構(gòu)的靈敏度可以提高四個(gè)數(shù)量級(jí)。該新型結(jié)構(gòu)結(jié)合了傳統(tǒng)微型振動(dòng)陀螺儀和光學(xué)陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)，為提高SAW陀螺儀性能提供了一種強(qiáng)大的解決方案，從而使其能夠應(yīng)用于慣性器件領(lǐng)域。

根據(jù)理論和有限元仿真結(jié)果，本研究所提出的聲光陀螺儀結(jié)構(gòu)的機(jī)械靈敏度對(duì)其幾何參數(shù)有一定的依賴性，因此可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)一步提高陀螺儀的靈敏度。這種聲光陀螺儀適用于航空航天、軍事和地質(zhì)勘探等極端環(huán)境中的角速度信號(hào)檢測(cè)，并有望在火箭發(fā)射和石油鉆探領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

聲光相互作用的模擬仿真

論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41378-022-00429-4

（麥姆斯咨詢殷飛）