陀螺儀作為一種檢測外部旋轉角速度的器件，可以結合加速度計構建慣性導航系統(tǒng)，在軍事、工業(yè)和消費電子領域的許多應用中發(fā)揮著不可替代的作用，例如：慣性導航、航姿參考、角度檢測等。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)境的應用中，陀螺儀芯片會受到很大的沖擊過載。

例如，導彈在發(fā)射期間過載超過20,000?g，這會導致陀螺儀中的可動懸置元件在大負載下發(fā)生故障，梳齒等檢測結構可能斷裂、粘附或被微粒污染。從而使陀螺儀很難恢復到過載前的狀態(tài)，使其性能嚴重下降，甚至可能使結構全面損壞，導致陀螺儀失去工作能力。

經過多年的發(fā)展，科學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)結構，沒有任何可動懸置元件，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制具有巨大的潛力，但它仍然面臨許多挑戰(zhàn)，例如測量限制、靈敏度下降以及溫度補償等。幸運的是，光學探測方法為其提供了一種改進性能的新方法，其高靈敏度、高穩(wěn)定性和低噪聲特性有助于精確測量。根據聲光效應，光學探測方法和SAW技術可以結合起來測量固體介質中機械應變引起的折射率變化，實現陀螺面外角速度檢測。

西北工業(yè)大學機電學院教授、博士生導師常洪龍及其團隊提出并數值研究了一種全新的基于聲光效應的高靈敏度行波陀螺儀，用于測量旋轉角速度。與傳統(tǒng)SAW陀螺儀利用SAW頻率變化來表征旋轉角速度不同，本研究利用聲光效應檢測由機械應變引起的折射率變化，通過光波導的輸出光功率強度測量角速度。這項研究成果已發(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激勵模型和光學檢測模型。研究表明，SAW陀螺儀的靈敏度高度依賴結構的幾何參數，在外部角速度的作用下，通過光功率強度可以有效地測量SAW行波引起的機械應變。所提出結構的優(yōu)越性通過所實現的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。

通過歸一化，與傳統(tǒng)SAW陀螺儀相比，本研究所提出的結構的靈敏度可以提高四個數量級。該新型結構結合了傳統(tǒng)微型振動陀螺儀和光學陀螺儀的優(yōu)點，為提高SAW陀螺儀性能提供了一種強大的解決方案，從而使其能夠應用于慣性器件領域。

根據理論和有限元仿真結果，本研究所提出的聲光陀螺儀結構的機械靈敏度對其幾何參數有一定的依賴性，因此可以通過優(yōu)化結構的幾何參數進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、軍事和地質勘探等極端環(huán)境中的角速度信號檢測，并有望在火箭發(fā)射和石油鉆探領域發(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

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