重大突破！国防科大团队《Nature》发表芯片级陀螺仪最新科研成果

5月20日，我国科研团队再在顶级学术期刊《Nature》，发表传感器创新科研成果。

该研究依托奇点物理原理，使科里奥利效应引起的频率和相位调制呈现立方根标度关系，有效优化了芯片级科里奥利振动陀螺仪的核心工作性能指标。经多组实验验证，该创新优化方案不增大器件结构尺寸，也不会产生额外功耗，可显著改善系统信噪比，大幅提升陀螺仪的运动检测与姿态测量精度——论文数据显示，实现了科里奥利因子三个数量级的增强，信噪比提高了253倍，精度提高了297倍。

该成果以“Cusp-singularity-enhanced Coriolis effect for sensitive chip-scale gyroscopes”为题发表于《Nature》。


资料显示，周鑫教授 (国防科技大学&南方科技大学)、景辉教授 (国防科技大学&湖南师范大学)、Franco Nori教授 (RIKEN) 和汪飞教授 (南方科技大学) 为论文共同通讯作者；周鑫课题组硕士生张森为论文第一作者，其在周鑫教授的指导下实施了实验；周鑫教授主导了理论分析，景辉教授和Nori教授提供了重要指导，景辉教授和Nori教授联合指导的黄然博士在理论分析方面也做出了贡献。研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助与支持。 科里奥利效应（Coriolis effect）指一种在旋转坐标系中移动的物体发生偏转的现象（科氏力正比于输入角速率）。科里奥利效应是多种陀螺仪的关键物理原理，包括机械式干式、液浮、半液浮、气浮角速率陀螺，挠性角速率陀螺，MEMS 硅、石英角速率陀螺（含半球谐振角速率陀螺）等。

通过本研究，在芯片级陀螺仪中构造并利用尖点突变奇点，实现了科里奥利效应的非线性增强，突破了传统灵敏度限制，为高性能、低成本、小型化惯性传感器提供了一条新的物理路径。

后续，该研究成果有望助力自动驾驶设备、无人机、民用电子产品以及小型航天装置，以更低成本实现更高水准的运动感知。同时也印证了奇点物理理论，在实体传感器落地应用中具备可观的发展潜力。

下文论文解析来自【小柯物理】，论文原文可在官网链接查看：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10565-w

陀螺仪作为基础惯性传感器，在消费电子、汽车和航空航天等行业的旋转测量中至关重要，其中应用最广泛的类型是基于科里奥利效应的。芯片级科里奥利振动陀螺仪（CVG）具有尺寸、重量和成本更低的优势，但其性能远低于传统的宏观级 CVG，这是因为微芯片中固有的弱科里奥利因子限制了其灵敏度的提升，而微芯片中的布朗噪声比宏观芯片中的布朗噪声要大得多。为了克服这一物理限制，我们提出并实验验证了利用片上 CVG 相位跟踪振荡中尖点突变内的三阶奇异性，来实现科里奥利效应引起的频率调制的立方根缩放。利用这种效应，我们实现了科里奥利因子三个数量级的增强，信噪比提高了 253 倍，精度提高了 297 倍。此外，尖点奇异性使得此前无法实现的超灵敏相位调制亚线性测量成为可能，从而在硅芯片陀螺仪中实现了创纪录的信噪比性能。这些发现不仅填补了观测和控制奇异性增强科里奥利效应方面的空白，为陀螺仪技术带来了革命性的进步，也为其他超灵敏传感应用提供了新的思路。


小芯片上的“大问题”：陀螺仪为何难以同时实现小型化和高信噪比？


陀螺仪是惯性导航、姿态控制和运动感知中的核心传感器，广泛应用于消费电子、汽车、航空航天、机器人和卫星平台。目前性能最强的一类陀螺仪是宏观尺度的陀螺仪产品，例如半球谐振陀螺仪。它们具有极高稳定性和精度，但通常体积大、成本高，难以大规模进入消费级和便携式应用。

相比之下，芯片级科里奥利振动陀螺仪具有尺寸小、重量轻、成本低、易集成等优势。然而，当器件缩小到毫米或微米尺度时，布朗噪声、加工误差和模式失配等问题会显著限制其信噪比和测量精度。最根本的瓶颈在于：传统科里奥利陀螺仪的响应强度受限于一个称为科里奥利因子的物理量，大小通常不超过1。这意味着，在小转速测量中，科里奥利信号本身很弱，很容易被噪声淹没。因此，一个长期问题是：能否不只是降低噪声，而是直接“放大”科里奥利效应本身？
研究突破：用尖点奇点“改写”科里奥利响应

这项研究给出的答案是：可以。研究团队将奇点物理引入芯片级科里奥利振动陀螺仪，在传统双模式振动结构中额外引入可控的相干模式耦合，并通过锁相环追踪特定相位条件，使系统进入一种相位跟踪振荡状态。在这个状态下，系统的频率响应曲面会出现两个尖点突变奇点，如图1a所示。

当陀螺仪工作在这些奇点附近时，微小的角速度扰动会被系统的非线性几何结构显著放大。传统陀螺仪中，输出信号与角速度近似呈线性关系：输入变化一点，输出也只变化一点 (图1b)。而在该研究中，奇点附近的输出遵循三次方根标度：输入很小，输出却可以被显著拉大 (图1c)。这正是“奇点增强科里奥利效应”的核心。

▲图1. 尖点突变奇点及其对陀螺信号的增强。(a) 科里奥利陀螺锁相闭环振荡中的尖点突变。(b) 传统科里奥利陀螺的频率调制输出。(c) 尖点奇点附近，科里奥利陀螺的频率调制输出。

三个关键结果：灵敏度、信噪比、精度全面提升

实验中，研究团队使用片上微硅嵌套环盘式谐振器构建芯片级陀螺仪系统。该谐振器直径约4毫米，工作在约40 kHz的简并振动模式附近，并通过静电力驱动、检测和调谐实现对模式耦合及相位跟踪状态的控制。

在频率调制读出中，研究团队观察到：

(1) 有效科里奥利因子突破传统上限

传统基准下该陀螺的固有科里奥利因子约为0.588，而在奇点X2和X1附近，实验得到的有效科里奥利因子分别达到约594和325，对应最高约1010倍和553倍的灵敏度放大 (图2a)。

(2) 信噪比显著提升

与标准频率调制方案相比，奇点增强方案使短期噪声性能对应的角随机游走降低最高253倍 (图2b)。

(3) 测量精度大幅提高

在零偏测试中，奇点增强频率调制方案使零偏不稳定性降低297倍，显示出更高的长期测量精度 (图2b)。

这些结果表明，奇点并不只是放大信号；在该系统中，噪声并没有以同样方式被放大，因此信噪比也得到了实质性改善。

▲图2. 尖点突变奇点增强的科里奥利效应。(a) 固有和奇点奇点增强的科里奥利因子。(b) 传统和尖点奇点增强频率调制陀螺的零偏Allan方差分析。



更进一步：相位调制读出实现硅基芯片陀螺仪创纪录的战略级角度随机游走

除了频率调制，研究团队还发现，在尖点奇点附近，两个振动模式之间的相对相位也会对角速度产生高度敏感的响应。基于这一点，团队进一步实现了奇点增强相位调制陀螺仪。
这一读出方式的优势在于，相位信号对谐振频率漂移天然免疫，同时相位噪声相比频率噪声更低。实验结果显示，该相位调制方案实现了：0.035°/h的零偏不稳定性和0.00036°/√h的战略级角随机游走 (图3a)。

论文指出，报道的角度随机游走相较当前领先的硅基芯片陀螺仪约提升一个数量级，并已接近更大体积、更高成本的高端半球谐振陀螺仪水平(图3b)。这意味着，芯片级陀螺仪有望突破过去“体积越小，性能越差”的传统认知。

图3. 相位调制读出实现创纪录的战略级角度随机游走。(a) 尖点奇点增强相位调制陀螺的零偏Allan方差分析，(b) 与半球谐振陀螺的角速度随机游走对比。



为什么这项工作重要？


这项研究的重要性不仅在于做出了一个更灵敏的陀螺仪，更在于提出了一种新的传感器设计范式。过去，传感器性能提升通常依赖于更好的材料、更高的品质因子、更精细的加工工艺和更强的降噪算法。而这项工作表明，系统本身的动力学结构也可以被设计成一种“响应放大器”。

通过把传感器调控到特殊奇点附近，微小扰动可以转化为更大的可测输出。这种思路有望推广到更多高精度传感场景，包括环境监测、医疗传感、地震探测、重力测量，甚至引力波探测等领域。

应用前景：从无人系统到GPS受限环境的自主导航


如果芯片级陀螺仪能够接近高端宏观陀螺仪的性能，同时保持小尺寸、低成本和可集成优势，将可能推动多个方向的发展：在消费电子中，更高精度的惯性传感器可提升AR/VR、智能手机、穿戴设备和运动追踪系统的稳定性。

在自动驾驶、无人机和机器人中，高性能芯片级陀螺仪可增强姿态感知和短时自主导航能力。在卫星、深空探测和高端装备中，小型化高精度陀螺仪则有望降低惯性导航系统的体积、重量和成本。尤其是在GPS受限或完全不可用的环境中，高性能芯片级陀螺仪可能成为下一代自主导航系统的关键基础器件。


部分论文作者介绍


周鑫，国防科技大学系统工程学院博士，副教授、教研室主任，荣立个人三等功1次，集体三等功1次，2020年度中国仿真学会优秀博士学位论文奖获得者，军队级重大工程项目骨干成员；长期从事战略规划评估、智能决策领域研究；主持国家自然科学基金等项目3项，作为骨干成员全程参与若干重大专项活动，发挥技术支撑作用；澳大利亚阿德莱德大学联合培养一年；近三年授权专利3项，出版译著2部，发表国际顶刊及国内高水平论文8篇。

景辉，教育部重大人才计划人选、国家自科基金委创新群体负责人，获湖南省自然科学奖一等奖。景辉教授毕业于南开大学陈省身数学中心理论物理室，曾在美国亚利桑那大学光科技中心、日本理化学所等地从事博士后研究，2016年5月以首批“潇湘学者”特聘教授身份引进来校工作，主要从事量子物理与量子信息技术的研究。他带领团队先后承担了国家级重点项目和湖南省重大科技攻关“揭榜挂帅”制项目，2024年获得国家自科基金委创新群体项目，实现了我校在该项目上零的突破。他和团队在Nature、Science正刊与子刊、PRL等发表了系列成果，建立了宇称-时间（PT）光力学理论，被评价为“开创性工作”、“开启了PT光力学领域”、“有深远影响”，在该方向上居于领跑地位。