我国学者实现奇点增强科里奥利效应，助力芯片级陀螺仪灵敏度跨越式提升

国防科技大学/湖南师范大学景辉教授、南方科技大学/国防科技大学周鑫教授、南方科技大学汪飞教授 和RIKEN的Franco Nori教授合作组，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方案。

研究团队在片上科里奥利振动陀螺仪中引入相位跟踪控制和相干模式耦合，使系统工作在三阶尖点奇点附近，从而让传统上与转速线性相关的科里奥利响应，转变为更敏感的三次方根响应。实验结果显示，该方法将有效科里奥利因子提升约三个数量级，信噪比提升253倍，精度提升297倍，并在相位调制读出中实现了硅基芯片陀螺仪的战略级角度随机游走。

这项研究通过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。

相关成果以“Cusp-singularity-enhanced Coriolis effect for sensitive chip-scale gyroscopes”为题，于5月20日发表在国际权威学术期刊《自然》（Nature）杂志。

Credit: Nature

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？

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

Credit: Nature

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

Credit: Nature

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

Credit: Nature

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。

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。

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。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10565-w

量子科话面向热爱科学、关心科技发展的公众，介绍量子科技领域重要前沿研究进展和国内外相关发展动态，对公众关注的科学问题提供客观的解读，助力加深公众对量子科技的认识，感受量子世界的奥妙。

量子科话由合肥国家实验室和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院共同主办。