Whoscored(中国·中文)官网-专注足球数据分析的专业平台

Whoscored中文官网 | 编译自 ANELLO Photonics

 

ANELLO Photonics公司寻求用硅基光电子技术的光学陀螺仪，推动惯性传感的新革命，这将使更多的应用体验到光学陀螺仪的精湛性能。

 

ANELLO Photonics公司正在利用硅基光电子技术将光学陀螺仪带入大众市场，改变自主导航的游戏规则。

 

光学陀螺仪利用20世纪初发现的萨格纳克效应感知角速率。直到几十年后，随着光纤陀螺仪（FOGs）的生产，这一概念才得以商业化。由于测量精度优于十亿分之一，惯性传感专家Anthony Lawrence介绍说："大自然很少那么合作"。

 

 

图1：光纤陀螺仪的原理方框图

 

光学陀螺仪是在GPS处于长时间无法使用的环境下进行惯性导航的首选传感器。自发明以来，已经生产了几百万个光学陀螺仪，用于能够承受其高昂价格的特定高性能应用。

 

相比之下，基于微型电子机械系统（MEMS）的传感器现在每年的生产量达到十亿个单位。这些传感器由一个三维微机械结构组成，使用物理位移来感知运动。

 

鉴于MEMS陀螺仪在今天如此普遍，为什么ANELLO Photonics公司要重新发明光学陀螺仪？硅基光电子光学陀螺仪（SiPhOG™）能否与MEMS传感器竞争？

 

图2：硅光子光学陀螺仪(SiPhOG™)

 

简短的回答是：是。这里有三个主要因素将推动光学陀螺仪在大众市场的使用呈指数级增长。

 

1. 工业车辆自动化需要精确性和完整性

 

自动驾驶汽车最终将彻底改变客运，但真正的自动驾驶汽车的使用目前是由工业车辆的应用引领。

 

工业车辆的 "自动驾驶 " 包括通常是危险的、昂贵的和重复的精确车辆操控。工业车辆自动驾驶在各种各样的平台上进行，如无人机、建筑设备和耕作机械。

 

图3：工业车辆自动驾驶的实例

 

根据Yole Research的研究，30亿美元的高性能惯性测量单元（IMU）市场, 在工业车辆部分的增长速度是高性能航空航天和国防应用的五倍。自主开发是世界各地主要工业车辆制造商的首要战略任务。

 

例如，大型农用车辆制造商John Deere公司在CES 2023年的主题演讲中，展示了对智能机器人机器的需求，用以 "喂养和建设世界"。John Deere公司已经认识到了对新传感技术的需求，它最近选择了ANELLO Photonics公司作为其技术孵化计划的初创企业之一。

 

在全球范围内，工业车辆的产量每年达数百万台，而对现有机器进行经济改造的机会更大。在现有工业车辆里面部署自动驾驶，可以带来更快的投资回报，降低监管的复杂性，但它需要在极其恶劣的环境中具有持续厘米级精度的卓越定位性能。这与SiPhOG™这样的大规模生产的光学陀螺仪所能提供的功能非常吻合。

 

2. MEMS传感器具有重要的局限性

 

自从20世纪90年代初MEMS惯性传感器投入商业使用以来，商业和政府机构在改进MEMS惯性传感器的性能方面做了大量的工作。今天，市场上有几个高质量的MEMS解决方案。这些优质MEMS器件的运行中偏置不稳定性（即短期漂移）低于1度/小时；然而，这些器件有几个共同的挑战。

 

首先，1度/小时的漂移是短暂的。为了保持这种性能，需要用外部传感器进行连续的在线校准。这意味着每隔10到100秒，设备的漂移速度就会开始超过规定的偏置不稳定值，需要GPS或其他传感器的更新以保持 "完全校准"。

 

其次，许多这些更敏感的MEMS器件通过使用更大和更顺应的机械结构来实现其较低的本底噪声，这反过来又增加了对振动的敏感性和在冲击下 "失稳 "的可能性。

 

第三，这些高级MEMS传感器不一定是低成本或小尺寸的。通常情况下，高性能的MEMS传感器需要更大的设备结构和真空包装，与iPhone中的MEMS传感器相比，这两者都使成本大大增加。此外，MEMS器件的性能改进已经趋于平稳，最突出的解决方案是在大约十年前推出的。

 

图4：高性能MEMS IMU

 

3. 硅基光电子技术已准备就绪

 

ANELLO Photonics公司正在利用硅基光电子技术来大幅减少光纤陀螺仪的尺寸、功率和成本。

 

ANELLO Photonics公司的首席执行官Mario Paniccia博士在英特尔工作期间，帮助开创了利用集成光子学的光收发器，并实现了这些器件的大批量生产。现在，在ANELLO Photonics公司，Mario Paniccia的团队已经设计了两个独特的硅基光电子集成电路（PIC）。

 

第一个PIC集成了ANELLO Photonics公司设计的有源光学元件，具有适合光学陀螺要求的特定性能。

 

图5：ANELLO的硅光子集成电路(PIC)

 

在第二个PIC中，ANELLO Photonics公司开发了一种独特的氮化硅波导工艺，其光损耗创下了世界纪录。利用这种工艺，ANELLO Photonics公司可以制造出长达50米的集成波导，其特点是插入损耗最小，尺寸小。

 

ANELLO Photonics公司的定制氮化硅波导工艺现在可作为Tower Semiconductor的标准工艺，它也被用于LiDAR和量子计算等应用。

 

图6：ANELLO 的氮化硅波导

 

4. 结论

 

近三十年前，Northrop Grumman公司刚刚推出了基于FOG的LN-200型IMU。在当时，LN-200因其小尺寸、高性能和低漂移的组合而具有革命性。直到今天，同样的LN-200仍然在高端应用中很受欢迎。你知道还有什么电子设备在三十年里既受欢迎又基本没有变化？