辽宁
你有没有想过，手机地图在隧道里为什么还能大致知道你在往哪儿走？靠的正是陀螺仪这类惯性传感器。
不过，手机里的陀螺仪精度有限，一旦离开卫星信号太久，误差就会越积越大。
现在，美国加州大学圣塔芭芭拉分校与加州理工学院的研究人员，在芯片上造出了一台光学陀螺仪。它能察觉每小时仅37度的缓慢旋转。
这一灵敏度比团队早先的同类氮化硅设计提高了近2000倍，相关成果发表在美国光学学会旗下期刊《光学快报》上。
用光"跑圈"来感知旋转
传统的机械陀螺仪依靠高速旋转的转子或振动的微结构来感知角度变化。新器件走的是另一条路：它完全不靠机械运动，而是让光在一个环形光路里绕圈奔跑。
其中的物理原理被称为萨尼亚克效应。当环形光路整体转动时，顺着转动方向和逆着转动方向传播的两束光，会"感受"到略微不同的路程。
研究团队把两项已有技术巧妙地拼在了一起：一项是加州理工学院开发的布里渊激光陀螺仪，另一项是圣塔芭芭拉分校在美国空军研究实验室支持下研发的低噪声片上激光平台。
在芯片内部，两台半导体激光器分别把光沿相反方向送入环形光路。光与材料中的微小声学振动相互作用，产生两束稳定的激光信号。
一旦器件发生旋转，这两束信号的频率就会出现细微差别。测出这个"频率差"，就能算出旋转速度。
把光"关"进环里将近100纳秒
这台陀螺仪灵敏度惊人，关键在于那个环形谐振腔"锁住"光的能力。
衡量这种能力的指标叫品质因子，数值越高，说明光在腔内损耗越少、留存越久。新器件的品质因子超过1.63亿。
这意味着，它能从频率约200太赫兹的光信号中，精准分离出仅2兆赫兹宽的一条窄带。光子能在腔内停留近100纳秒，反复绕行无数圈。
打个比方，这就像让一位赛跑选手在操场上不停跑圈，跑的圈数越多，哪怕操场只转动了一点点，他累积下来的位移偏差也越容易被察觉。
此外，环的尺寸也很重要，光学陀螺仪包围的面积越大，就越能分辨微小转动。
这次传感环路直径约24毫米，封装后的整体器件也只有几厘米宽。相比动辄需要数公里光纤绕制的传统光纤陀螺，它在体积上的优势一目了然。
整套器件采用氮化硅材料制造，与业界标准的CMOS芯片工艺兼容，而且只需要毫瓦级的光功率。
团队负责人丹尼尔·布卢门撒尔表示，新陀螺仪融合了多项先进技术，在可用标准芯片工艺制造的形态下，实现了很高的灵敏度。
离"感知地球自转"只差一步
为了检验性能，研究人员把封装好的芯片固定在一个压电旋转台上，让它按设定频率来回摆动。
与此同时，一台独立的光学干涉仪负责测量旋转台的实际运动，作为比对的"标准答案"。
结果显示，传感器的输出呈现良好的线性响应，最低可探测每小时37度的旋转。作为对比，团队此前的氮化硅布里渊陀螺仪，最低只能测到每小时72000度。
地球自转的速度大约是每小时15度。也就是说，这枚芯片距离直接"感受"地球转动，只剩下不到三倍的差距。
能测出地球自转，是高精度惯性导航的重要门槛。达到这一水平的陀螺仪，就能帮助设备在没有卫星信号的情况下，自行判断方向和姿态。
从实验室样机到导航"黑匣子"
研究人员也坦承，这还只是一台实验室原型机，尚未直接测出地球自转，也还不是一个完整集成的导航传感器。
接下来，他们计划减少环路中多余的光散射，以提升测量稳定性；同时把激光器、光电探测器等部件集成到一个紧凑系统中，再拿到实验室外测试。
一旦这些难题被攻克，前景相当诱人。飞机、汽车、航天器、潜航器都可能用上这种小巧、耐用、无需活动部件的高精度陀螺仪。
目前，高端惯性导航普遍依赖体积较大、价格昂贵的光纤陀螺或激光陀螺，主要用于民航客机、导弹和舰船。芯片级方案一旦成熟，成本有望大幅下降，让无人机、自动驾驶汽车甚至可穿戴设备也用得起高精度导航。
由于采用与CMOS兼容的工艺，这种陀螺仪未来还可能像普通芯片一样批量生产，这是它走向大规模应用的重要前提。
在卫星信号容易被干扰甚至被屏蔽的今天，不依赖外部信号的自主导航正变得越来越重要。
从占满一张实验台的光纤陀螺，到指甲盖大小的光子芯片，惯性导航正在经历一场"瘦身革命"。这枚芯片，或许就是这场革命的又一块关键拼图。
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