陀螺仪作为一种检测外部旋转角速度的器件，可以结合加速度计构建惯性导航系统，在军事、工业和消费电子领域的许多应用中发挥着不可替代的作用，例如：惯性导航、航姿参考、角度检测等。然而，在无人驾驶航天器、火箭发射和石油钻探等涉及极端环境的应用中，陀螺仪芯片会受到很大的冲击过载。
例如，导弹在发射期间过载超过20,000 g，这会导致陀螺仪中的可动悬置元件在大负载下发生故障，梳齿等检测结构可能断裂、粘附或被微粒污染。从而使陀螺仪很难恢复到过载前的状态，使其性能严重下降，甚至可能使结构全面损坏，导致陀螺仪失去工作能力。
经过多年的发展，科学家们提出了利用声表面波（SAW）陀螺仪来解决过载问题。与MEMS陀螺仪完全不同的是，SAW陀螺仪通常采用全固态结构，没有任何可动悬置元件，这使得它们能够在极端环境中承受过载。
然而，尽管SAW陀螺仪作为一种传感机制具有巨大的潜力，但它仍然面临许多挑战，例如测量限制、灵敏度下降以及温度补偿等。幸运的是，光学探测方法为其提供了一种改进性能的新方法，其高灵敏度、高稳定性和低噪声特性有助于精确测量。根据声光效应，光学探测方法和SAW技术可以结合起来测量固体介质中机械应变引起的折射率变化，实现陀螺面外角速度检测。
西北工业大学机电学院教授、博士生导师常洪龙及其团队提出并数值研究了一种全新的基于声光效应的高灵敏度行波陀螺仪，用于测量旋转角速度。与传统SAW陀螺仪利用SAW频率变化来表征旋转角速度不同，本研究利用声光效应检测由机械应变引起的折射率变化，通过光波导的输出光功率强度测量角速度。这项研究成果已发表于近期发行的Microsystems & Nanoengineering。
新型行波陀螺仪的工作原理
研究人员利用三维有限元分析方法建立了SAW激励模型和光学检测模型。研究表明，SAW陀螺仪的灵敏度高度依赖结构的几何参数，在外部角速度的作用下，通过光功率强度可以有效地测量SAW行波引起的机械应变。所提出结构的优越性通过所实现的1.8647 (mW/m²)/(rad/s)理论灵敏度和220,000 g高抗冲击性得到了证实。
通过归一化，与传统SAW陀螺仪相比，本研究所提出的结构的灵敏度可以提高四个数量级。该新型结构结合了传统微型振动陀螺仪和光学陀螺仪的优点，为提高SAW陀螺仪性能提供了一种强大的解决方案，从而使其能够应用于惯性器件领域。
根据理论和有限元仿真结果，本研究所提出的声光陀螺仪结构的机械灵敏度对其几何参数有一定的依赖性，因此可以通过优化结构的几何参数进一步提高陀螺仪的灵敏度。这种声光陀螺仪适用于航空航天、军事和地质勘探等极端环境中的角速度信号检测，并有望在火箭发射和石油钻探领域发挥重要作用。
声光相互作用的模拟仿真
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00429-4
（麦姆斯咨询殷飞）
