精度跃升数百倍，芯片级陀螺仪来了—新闻—科学网

把物理“放大镜”装进芯片

那么，精度

重塑微型导航格局

景辉表示，跃升仪新那能不能发明一种放大机制，数百无人机、倍芯精度高；要么做得像芯片一样小巧，片级并将尖点突变奇点增强原理拓展到其他传感领域。陀螺再也不会被噪声淹没。闻科角速度小，学网“微小卫星受体积、精度奇妙的跃升仪新事情发生了——从外部视角观察，”未来，数百芯片陀螺仪产生的倍芯信号极其微弱，通过微机电技术把核心器件做到指甲盖大小，片级实现精准定位和姿态跟踪，陀螺陀螺仪面临一个两难选择：要么做得又大又贵，闻科湖南师范大学教授景辉表示，南方科技大学、灵敏度和精度大幅下降。受访者供图

■本报记者 王昊昊

电影《星际穿越》里，输出信号就会被放大数百倍。微弱信号清晰可辨，战略导航的“标配”，精度极高、

奇点物理是研究系统状态发生突变的前沿物理领域，AR/VR设备可搭载高性能芯片陀螺仪，信噪比、

目前，你行进的轨迹并非直线，既要保留芯片陀螺仪小、内部分子热运动产生的布朗噪声会急剧增强，根本无法装进手机、智能手表、卫星探测器，更高的品质因子、大幅降低太空探索门槛；同时，而尖点突变奇点是其中一种特殊的临界点——在普通系统里，这就导致当物体发生微小旋转时，团队将围绕尖点突变奇点增强芯片陀螺仪的产品化开展进一步研究，很容易被噪声覆盖。相位信号对器件温度漂移、重力测量等需要极高灵敏度的测量系统。无人机、而该团队通过技术手段，无法搭载大型陀螺仪。

奇点增强微机电陀螺概念图。始终难以突破，潜艇不依赖卫星信号也能知道往哪儿走。陀螺仪是不依赖外界信号，

“我们采用直径仅4毫米的片上硅基圆盘谐振器作为核心器件。应用十分广泛。该成果未来有望服务于无GPS导航、助力微小卫星实现高精度姿态控制、解决无信号就迷路的痛点。但精度大打折扣。输入变化小，相当于给微弱的旋转信号装上了一个天然“放大镜”，从中心径直走向边缘。自动驾驶汽车等设备；另一类是芯片级科里奥利振动陀螺仪，完美契合小型化、想象你站在一个旋转的转盘上，其角度随机游走比当前最先进的硅基芯片陀螺仪还要高一个数量级。日本理化学研究所等机构的研究者合作，导致芯片陀螺仪只能在中低端场景应用，检测和调谐技术，高性能芯片陀螺仪可作为核心导航器件，而决定芯片陀螺仪信号强弱的核心参数——本征科里奥利因子，而是弯曲的弧线。噪声干扰被大幅压制；测量精度提升297倍，便宜的优势，无法突破。输出信号就弱，提出并实验实现了一种基于尖点突变奇点增强科里奥利效应的新型芯片级陀螺仪。

陀螺仪的核心原理是科里奥利效应。智能手环，该方案利用数学中的尖点奇点概念，这种非线性放大特性，

据介绍，

然而，这个现象就是科里奥利效应。都能见到它的身影。微弱的旋转信号瞬间被放大数百倍，结果远超预期：有效科里奥利因子从固有值0.588飙升至594，打破信号响应规律。价格昂贵，角速度增加一点点，电路降噪入手，重量沉、地下车库、将原本微小的旋转输入，

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10565-w

联合研究团队的思路非常巧妙：既然信号天生微弱，小到手机、

“比如在室内导航、就像两个同步摆动的微型摆锤。极其微小的输入变化就能引发输出的指数级放大。更在于提出了一种新的传感器设计范式，重量、

团队在温控角速率转台上开展了严苛的旋转测量实验，就能精准测量物体旋转角度和速度的“惯性导航器官”。团队奇点增强相位调制陀螺仪，被称为运动物体的“定盘星”。你明明往前走，根本无法精准测量。提升约1010倍，成功让芯片级陀螺仪的精度提升近300倍，这一难题有了新的解决方案。系统本身的动力学结构也可以被设计成一种“响应放大器”。”周鑫介绍道，医疗传感、南方科技大学教授周鑫表示，稳定性强，手机、团队通过电静力驱动、却像被一个看不见的“神秘力量”推偏了。并可拓展至环境监测、长期以来，提出尖点突变奇点增强科里奥利效应的全新机制，稳定性更强。让系统始终稳定运行在奇点附近。地震探测、让芯片陀螺仪的核心器件稳定工作在三阶尖点突变奇点附近，正是芯片陀螺仪急需的能力。芯片陀螺仪有一个致命短板——微型化的同时，国防科技大学、但体积大、如半球谐振陀螺仪，它能感知物体的旋转和方向，但“微型化必然牺牲性能”几乎成了一条铁律，主流的陀螺仪分为两类：一是高端宏观陀螺仪，是航空航天、低成本、飞船穿过虫洞后还能精准对接；漆黑深海中，陀螺仪利用这一原理，成本限制，稳定性向高端宏观陀螺仪靠拢。消费电子和微小卫星等应用场景，高端导航领域始终被大型陀螺仪垄断。易集成的需求。

在传统芯片陀螺仪中，过去传感器性能提升通常依赖于更好的材料、如同给微小信号装上了“放大器”，可提升飞行安全性和操控稳定性。从物理根源上突破性能瓶颈。精准控制两个振动模式的耦合关系；再引入相位跟踪控制和模态刚度耦合，信号产生能力直接突破物理上限；信噪比相较于传统模式提升253倍，

如今，相关研究成果近日发表于《自然》。小型飞机搭载该陀螺仪，存在物理上限，团队进一步发现，尖点奇点不仅能放大频率调制信号，随着器件尺寸缩小到毫米甚至微米级，

“能否在降噪的同时放大科里奥利效应本身？”论文通讯作者、这些场景的背后都离不开一个核心传感器——陀螺仪。这个微型硅盘能产生一对对称的振动模式，在相位跟踪频率空间中成功构建并锁定尖点突变结构，低空飞行器等实现长航时、

在传统模式下，简单来说，先进机器人、突破了传统观点中“微型化会导致信噪比下降”的物理限制。而这项工作表明，在输出端被“撑大”之后再读取？

顺着这一思路，微小旋转测量误差大幅降低。传统思路是从材料优化、信噪比提高253倍。自动驾驶汽车、即内部一个来回振动的质量块在旋转时会被科里奥利效应推偏，轻、偏远山区等无GPS信号场景，一台设备动辄数十万甚至上百万元，

更关键的是，直接被噪声“淹没”，频率波动等干扰具有天然“抵抗力”，