聲表面波（SAW）陀螺儀利用一種被稱為SAW陀螺效應的現象來測量旋轉角速度。由于簡化了傳統MEMS陀螺儀所需的懸浮振動機制，SAW陀螺儀非常適合在惡劣環境中應用。

據麥姆斯咨詢報道，近期，西北工業大學機電學院常洪龍教授團隊首次提出了一種使用聚焦叉指換能器（FIDT）的新型環形駐波模式SAW陀螺儀。傳統SAW陀螺儀使用線性IDT產生聲表面波，會導致波束偏轉和能量耗散，而該研究團隊使用FIDT根據結構特征集中SAW能量，從而獲得更好的聚焦性能和增強的SAW振幅。實驗結果表明，該新型SAW陀螺儀的靈敏度為1.51 μV/(°/s)，零偏不穩定性為0.77 °/s，與傳統SAW陀螺儀相比提高了一個數量級。因此，FIDT組件可以改善SAW陀螺儀的性能，展示了其在角速度測量方面的優越性。這項研究工作為提高SAW陀螺儀的靈敏度等性能提供了新思路。相關研究成果以“A toroidal SAW gyroscope with focused IDTs for sensitivity enhancement”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊上。

器件設計與仿真

如圖1a所示，基于壓電效應的SAW陀螺儀主要由FIDT、圓弧反射器、金屬柱和濺射在器件表面的電極構成。FIDT是布置在壓電材料上的周期性間隔的金屬電極，可在交變電場和聲波之間提供有效的轉換。為了提高駐波產生的效率，研究人員在驅動FIDT的兩側設計了成對的反射器。金屬柱被布置在結構的中心，并隨著駐波周期性地運動，這類似于MEMS陀螺儀的懸浮基準質量塊的功能。外部角速度可通過感應FIDT檢測傳感方向上的次級SAW信號計算得出。為了更好地揭示駐波的形成原理，研究人員基于商業軟件COMSOL建立了SAW陀螺儀驅動結構的有限元模型，仿真結果如圖1b所示。

圖1 新型環形SAW陀螺儀的工作原理

為了提高SAW陀螺儀的性能，研究人員設計了一種不同于傳統線性叉指換能器（LIDT）的驅動結構，即聚焦叉指換能器（FIDT），如圖2a所示。在這項工作中，通過沿著SAW傳播路徑適當地布置金屬柱，可有效地提高科里奧利（Coriolis）力，從而增強陀螺效應。如圖2b所示，金屬柱被布置在駐波的波腹處，并且間距是半波長的整數倍，以最大化振動速度。接著，研究人員對該FIDT進行了表征，結果如圖2c-2d所示。

圖2 聚焦叉指換能器（FIDT）特性

制造工藝及測量方案

器件結構設計完成后，研究人員采用128° Y切絕緣體上薄膜鈮酸鋰（LNOI）晶圓，通過MEMS工藝來制造SAW器件。本研究中提出的SAW陀螺儀的詳細制造步驟如圖3a所示。圖3b顯示了SAW陀螺儀的顯微照片，其中FIDT、SAW反射器和金屬柱如圖3c和3d所示。

圖3 新型環形SAW陀螺儀制造工藝流程

完成環形SAW陀螺儀的制造后，可通過開環測試和閉環測試評估傳感器的響應特性。閉環測試示意圖如圖4a所示。實驗設置如圖4b所示。SAW陀螺儀芯片被貼裝在印刷電路板（PCB）上，其引腳與外部PCB連接，并由樹脂蓋覆蓋。該器件通過丙烯酸板與旋轉臺連接。通過PCB上的SMA連接器，信號可以傳輸到外部儀器進行后續測量。旋轉臺控制器用于向環形SAW陀螺儀提供所需的旋轉速度。

圖4 SAW陀螺儀測試實驗原理

測試實驗結果

采用開環測試方案，可獲得不同輸入電壓下的幅頻曲線，如圖5a所示。圖5b顯示了SAW陀螺儀在閉環測試期間的特性。通過使用乘法器對傳感方向的信號進行調制，可獲得SAW陀螺儀的輸出幅值與其旋轉角速度之間的關系（圖5c）。從圖中可以看出，在± 300 °/s范圍內，三次測試的靈敏度分別為1.47 μV/(°/s)、1.49 μV/(°/s)和1.59 μV/(°/s)。這些值之間的相對差異可能是由安裝的系統誤差和傳感器的隨機誤差引起的。該FIDT結構的SAW陀螺儀的靈敏度平均約為1.51 μV/(°/s)，比LIDT結構的SAW陀螺儀高出約一個數量級。被測SAW陀螺儀的艾倫（Allen）方差如圖5d所示。在靜態測試中，以5 Hz的采樣速率記錄了30分鐘的輸出信號，SAW陀螺儀的零偏不穩定性為0.77 °/s，比基于LIDT結構的SAW陀螺儀提高了約一個數量級。

圖5 新型環形SAW陀螺儀的性能

綜上所述，這項研究利用聚焦叉指換能器（FIDT）能夠集中SAW能量以提高振動幅值，首次提出并通過實驗驗證了一種基于駐波模式的環形SAW陀螺儀。實驗結果表明，該FIDT結構的SAW陀螺儀的靈敏度為1.51?μV/(°/s)，零偏不穩定性為0.77 °/s。與基于LIDT的SAW陀螺儀相比，本文所提出的環形SAW陀螺儀的靈敏度和零偏不穩定性提高了一個數量級，這說明了FIDT組件的優越性。根據理論分析結果，該FIDT結構的機械靈敏度對其幾何參數和環境溫度有一定的依賴性，因此可通過優化結構的幾何參數或實施溫度補償來進一步提高SAW陀螺儀的靈敏度。本文所提出的SAW陀螺儀采用全固態結構，沒有任何懸浮可移動元件，在未來地質勘探和石油鉆井等惡劣環境中具有巨大潛力。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00658-9

審核編輯：劉清