微半球谐振陀螺仪（mHRG）的基本原理及应用
湖南天羿领航
微半球谐振陀螺仪的敏感结构为旋转对称形结构，将位于结构中心的锚点固定在结构基底上。该结构通常采用静电驱动与检测，其动力学模型可简化为环形结构，通过静电驱动使敏感结构谐振在n=2的“酒杯模态”。当有外部输入沿轴向的角速率Ω后，振动中的敏感结构受到哥氏力作用，其大小为：
受哥氏力作用，敏感结构上与驱动模态相隔45°的检测模态被激励出来。如下图所示，开环模式下，其振幅大小与输入角速率Ω成正比，通过解算检测模态的振动幅值可得到角速率Ω的值。
微半球谐振陀螺的技术优势在于：旋转对称的三维谐振结构可用电极面积大，拥有很高的机械灵敏度，可作为速率陀螺和速率积分陀螺使用，以适应高精度、高动态范围等不同应用需求。同时，根据不同的制造工艺，谐振结构材料的选择更加多样化。多晶金刚石、熔融石英等高性能材料的应用，可进一步提升陀螺的理论极限性能，使实现导航级MEMS陀螺成为可能。
2010年前后法国SAFRAN推出第一代半球谐振陀螺，采用速率积分控制模式，直径20mm振子，2020年精度提升至0.0001°/h。速率积分半球谐振陀螺是第一个应用于捷联惯导系统的速率积分陀螺。
半球谐振陀螺有两种工作模式，速率模式和速率积分模式。速率模式，也称力平衡模式，通过电压将驻波闭环控制在一个固定的工作点(例如0°方位角位置)，闭环控制的电压高低代表了角速度大小，受限于闭环控制电压不宜过高，该模式下陀螺测量范围较小(一般在10°/s以内，通过特殊措施可提升至几十°/s)，只能应用于少数小动态场合，如卫星、深空探测器等；另一种是速率积分模式，也称全角模式，该模式不约束驻波位置，允许驻波停留在360°方位角范围内的任意位置，通过检测驻波方位角直接测量角运动，该模式下陀螺测量范围理论上可以无限大，可应用于陆海空天各类运动载体。采用速率积分模式的半球谐振陀螺是当前惯性技术领域最为重要的发展方向之一。
现代信息化战争的核心要素之一是精确定位与打击。当前，基于卫星定位的制导武器虽已十分成熟，然而，卫星信号极易受到干扰，短时间的卫星信号拒止就会显著增加定位误差，给制导武器的应用带来极大的隐患。因此，提升武器装备在卫星信号拒止条件下的自主导航、定位与制导能力，对提升军队作战水平具有重要意义。
惯性传感技术是利用敏感器件测量载体相对惯性空间的加速度与角度等参数，进而推算出载体的运动轨迹、运行姿态等信息，能够在信号拒止条件下实现载体的自主导航与定位。高性能陀螺是惯性传感的核心器件之一，以激光陀螺、半球谐振陀螺等为代表的高性能陀螺已经在航海、航天、航空领域得到了广泛的应用。但随着灵巧炸弹、无人平台、单兵导航和微型卫星等一系列新型武器装备与作战形式的出现，传统的高性能陀螺和基于微机电系统（MEMS）技术的微陀螺难以在性能、体积、功耗等方面满足上述应用需求。
微半球谐振陀螺仪（mHRG）是近几年兴起的一种新型谐振陀螺仪，其核心优势在于利用MEMS技术及新型制造工艺，实现高性能微半球谐振结构的制造。该技术既有望继承传统半球谐振陀螺高精度、长寿命等优点，又兼具微型化的技术优势，具有极大的发展潜力。
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自主可控高性能MEMS惯性传感器及系统提供商
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