Sau hơn một thập kỷ trong lĩnh vực công nghệ định vị quán tính,Tôi đã xem các thiết bị tích hợp bốn trong một như những anh hùng không được ca ngợi trong sự phát triển của các kính quay sợi quang (FOG), chi phí, và độ tin cậy mà trước đây giới hạn FOG cho các lĩnh vực hàng không vũ trụ và quốc phòng cao cấp.những thiết kế đặc biệt cho FOGs phục vụ một mục đích chính xác hơn: tích hợp các chức năng quang học và điện tử cốt lõi vào một mô-đun nhỏ gọn để mở ra tiềm năng dân sự của công nghệ.
Các FOG truyền thống dựa trên các thành phần riêng biệt - các nguồn ánh sáng, các bộ kết nối, các bộ điều chế pha và các máy dò - mỗi thành phần đòi hỏi phải được đóng gói và hiệu chuẩn độc lập.Động cơ xoay quá nặng nhưng cũng thúc đẩy chi phí tăng theo cấp số nhân; chi phí mỗi gram của FOG ban đầu thậm chí còn vượt quá vàng, giới hạn ứng dụng của chúng cho tên lửa, vệ tinh và tàu lớn.Sự xuất hiện của các thiết bị bốn trong một đã thay đổi kịch bản này bằng cách tích hợp bốn thành phần cốt lõi này vào một mô-đun dựa trên silicon duy nhấtSử dụng silicon photonics và các quy trình tích hợp khác nhau, dấu chân của các thiết kế cao cấp có thể được giảm xuống dưới 0,2 cm vuông,chỉ khoảng một phần mười kích thước của các tập hợp riêng biệt.
Những gì những người không chuyên nghiệp thường bỏ qua là các thiết bị FOG bốn trong một không phải là sự kết hợp các thành phần đơn giản, mà được thiết kế cẩn thận để giảm bớt các điểm đau cốt lõi trong hoạt động FOG.Ví dụ:, tích hợp bộ điều chế pha và máy dò trên cùng một chất nền làm giảm thiểu các lỗi pha không tương ứng do biến động nhiệt độ và rung động cơ học,mà là rất quan trọng để duy trì độ chính xác góc dưới độTrong khi đó, nó đơn giản hóa quá trình sắp xếp quang học - một bước tốn nhiều thời gian và lao động trong lắp ráp FOG truyền thống thường giới thiệu lỗi của con người và giảm tỷ lệ năng suất.
Tôi vẫn còn nhớ một dự án năm 2024 với một công ty lái xe tự động, nơi chúng tôi thay thế một FOG có thành phần riêng biệt bằng một nguyên mẫu được trang bị mô-đun photon silicon 4 trong 1 tự phát triển.Kết quả là thay đổi: trọng lượng của gyro giảm 65%, tiêu thụ năng lượng giảm 40% và quan trọng nhất,chi phí đơn vị giảm từ khoảng mười ngàn nhân dân tệ xuống hàng ngàn nhân dân tệ cuối cùng làm cho độ chính xác cấp FOG có thể truy cập tại giá MEMS gyroNó hoạt động hoàn hảo trong các thử nghiệm trong đường hầm và nhà để xe ngầm mà không có tín hiệu GPS, duy trì vị trí ổn định trong hơn 20 phút.
Dĩ nhiên, các thiết bị 4 trong 1 cho FOG không phải là không có thách thức. The biggest hurdle is balancing integration level and optical performance—silicon’s inherent limitations as a light-emitting material force us to use heterogeneous bonding of III-V materials such as indium phosphideMột điểm khó khăn lớn khác là hiệu quả nối: kích thước trường chế độ của các đường dẫn sóng tích hợp cực nhỏ (khoảng 0,15 micrometer),yêu cầu độ chính xác điều chỉnh dưới micron khi kết nối với cuộn dây sợi, đã đẩy giới hạn hiệu suất của thiết bị lắp ráp tự động.
Sản xuất hàng loạt ban đầu cũng phải đối mặt với những khó khăn về năng suất.Quá trình nhiều bước từ liên kết wafer và khắc dẫn sóng đến hiệu chuẩn cuối cùng có nghĩa là ngay cả các biến đổi quy trình nhỏ cũng có thể làm cho toàn bộ mô-đun không hiệu quảChúng tôi đã dành nhiều tháng để tối ưu hóa quá trình tích hợp silicon-on-isolator (SOI) + silicon nitride,cuối cùng làm tăng năng suất từ 60% lên trên 85% và đặt nền tảng cho sản xuất quy mô lớn thương mại.
Điều thú vị là nhận thức của ngành công nghiệp về các thiết bị 4 trong 1 đã trải qua một sự biến đổi đáng kể.chúng được coi là một "thỏa thuận" giữa các thành phần riêng biệt chính xác cao và MEMS chi phí thấp; ngày nay, chúng được công nhận là yếu tố cốt lõi cho nền văn minh hóa FOG, thu hẹp khoảng cách giữa hiệu suất hàng không vũ trụ và hiệu quả chi phí thương mại.
Các nhà sản xuất trong nước đã đi đầu trong lĩnh vực này.Các doanh nghiệp như Viện nghiên cứu CETC 14 và Công nghệ Chongqing Shuaiwei đã tối ưu hóa các mô-đun FOG bốn trong một thông qua các quy trình quang học silicon 130nm và 180nm, đạt được sự ổn định thiên vị dưới 0,1 ° / h cho các thiết bị sản xuất hàng loạt với một phần chi phí của các đối tác nước ngoài.Ngay cả các nhà sản xuất khu vực như Chongqing United Microelectronics cũng đang mở rộng năng lực sản xuất các chip chuyển phát FOG tích hợp, củng cố vị trí của Trung Quốc trong thị trường thích hợp quan trọng này.
Những thiết bị này thể hiện sự thật cốt lõi của sự phát triển FOG: thu nhỏ và kiểm soát chi phí không phải là chi phí của độ chính xác.Tập trung vào tích hợp hệ thống chứ không phải nâng cấp các thành phần riêng lẻ, các mô-đun bốn trong một đã xác định lại ranh giới ứng dụng của FOG." nhưng một công nghệ cơ bản đang đẩy FOG vào các thị trường mới như lái xe tự động, robot biển sâu, và nông nghiệp chính xác.
Kinh nghiệm tích lũy từ các thiết bị FOG bốn trong một hiện đang ảnh hưởng đến sự phát triển của các công nghệ thế hệ tiếp theo như FOG tinh thể quang tử.Chúng tôi đang áp dụng cùng một khái niệm tích hợp để thiết kế gyro ba trục, tích hợp ba mô-đun bốn trong một vào một con chip duy nhất để đạt được cảm biến chuyển động 3D đầy đủ. Công nghệ hiệu chuẩn dựa trên AI, được tối ưu hóa để bù đắp tiếng ồn do tích hợp,cũng làm cho các mô-đun này mạnh mẽ hơn trong môi trường khắc nghiệt kinh nghiệm mà trực tiếp thông tin nghiên cứu và phát triển của chúng tôi của silicon photonic gyros.
Trong một lĩnh vực bị ám ảnh bởi những bước đột phá trong độ nhạy của cuộn dây sợi hoặc tốc độ điều chế, thật dễ dàng để bỏ qua tác động nhỏ của các thiết bị bốn trong một.Họ đã biến FOGs từ các thành phần hàng không vũ trụ thích hợp, các công cụ có thể mở rộng và quá trình này đã chứng minh rằng tích hợp, thay vì cải thiện một chỉ số hiệu suất duy nhất, là chìa khóa để mở ra một kỷ nguyên mới của công nghệ định vị quán tính.Sự đóng góp của họ để phổ biến chính xác FOG sẽ đánh giá cao hơn ngay cả các thiết kế tiên tiến nhất thế hệ tiếp theo.
