2026-05-28 | 科研部 Nature丨南科大周鑫课题组在奇点增强芯片级陀螺仪研究中取得重要进展

近日，南方科技大学深港微电子学院周鑫副教授课题组联合汪飞教授课题组及合作者，在芯片级高性能陀螺仪研究领域取得重要进展。研究团队提出并实验验证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方案。相关成果以“Cusp-singularity-enhanced Coriolis effect for sensitive chip-scale gyroscopes”为题发表于国际顶级学术期刊 Nature。

陀螺仪是不依赖外界参照便可测量物体在自由空间旋转运动的核心惯性传感器，广泛应用于消费电子、汽车、航空航天、机器人、无人系统和导航定位等领域。科里奥利振动陀螺仪是当前应用最广泛的陀螺仪类型之一，其通过科里奥利效应实现对角速度的测量。相较于传统宏观尺度陀螺仪，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，但受限于微尺度器件中更强的布朗噪声以及本征科里奥利因子难以突破的物理上限，其灵敏度、信噪比和长期稳定性难以达到高端宏观陀螺仪水平。

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

围绕这一难题，研究团队将奇点物理引入芯片级科里奥利振动陀螺仪的研究。传统陀螺仪中，科里奥利响应通常与输入角速度呈线性关系，微小旋转信号易被噪声干扰。研究团队通过在片上硅基圆盘谐振器中引入相位跟踪控制和模态刚度耦合，使系统工作于三阶尖点突变奇点附近，从而将科里奥利效应诱导的频率调制响应从线性标度转变为三次方根标度。该机制能够在微小旋转输入下产生显著放大的输出响应，实现对传统芯片级陀螺仪灵敏度限制的突破。

图2. 尖点突变奇点增强的科里奥利效应。(a) 固有和尖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

实验中，研究团队采用直径约4毫米的片上硅基圆盘谐振器作为核心器件，通过电静力进行驱动、检测和调谐，以实现对一对简并振动模态的精确控制。研究团队在相位跟踪频率空间中构建并观测到尖点突变结构，进而通过闭环相位锁定实验验证了系统可稳定运行于奇点附近。结果表明，在尖点奇异性增强的频率调制模式下，器件有效科里奥利因子提升约三个数量级，信噪比提升253倍，测量精度提升297倍。

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

研究团队进一步发现，尖点奇点不仅能够增强频率调制响应，还可实现一种此前难以企及的超灵敏相位调制读出方式。相较于频率输出，模态间相对相位对谐振频率漂移具有天然鲁棒性。基于该相位调制机制，团队在硅基芯片陀螺仪中实现了优异的信噪比表现，角度随机游走达到0.00036°/√h，性能接近大尺寸、高成本半球谐振陀螺仪水平，并优于当前先进硅基芯片陀螺仪近一个数量级。

该研究首次在芯片级科里奥利振动陀螺仪中实现并利用尖点突变奇异性增强科里奥利效应，突破了传统观点中“微型化会导致信噪比下降”的物理限制，为高性能、低成本、小型化惯性传感器提供了新的物理机制和技术路径。未来，该方法有望服务于无GPS导航、自动驾驶、先进机器人、无人机、消费电子和微小卫星等应用场景，并可拓展至环境监测、医疗传感、地震探测、重力测量等需要极高灵敏度的测量系统。

南方科技大学为论文通讯单位。周鑫、汪飞、国防科技大学/湖南师范大学景辉教授、日本理化研究所Franco Nori教授为论文共同通讯作者。周鑫原课题组硕士生张森为论文第一作者，其在周鑫的指导下实施了实验。周鑫主导了研究构想、实验指导、数据处理、理论分析、器件设计、器件制备和测试系统搭建等工作；汪飞课题组在实验条件方面提供了重要支撑。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。

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

供稿：深港微电子学院

通讯员：刘碧

编辑：任奕霏