为自主地面和空中载具优化的集成光子光学陀螺仪的制作方法

本公开内容涉及将集成的基于光子的光学陀螺仪集成到自主车辆中。

背景技术：

1、陀螺仪(有时也称为“陀螺”)是可以测量角速度的传感器。陀螺仪可以是机械的或光学的，并且可以在精度、性能成本和尺寸方面有所不同。基于科里奥利(coriolis)效应的机械陀螺仪通常成本较低，但无法提供非常高的性能，并且容易受到温度、振动和电磁干扰(electromagnetic interference,emi)引起的测量误差的影响。光学陀螺仪通常具有最高的性能，并且依赖于基于萨格纳克(sagnac)效应(干涉测量中遇到的一种由旋转引起的现象)的干涉测量。由于光学陀螺仪没有任何移动零件，因此它们比机械陀螺仪更具有优势，因为它们比带有移动零件的机械陀螺仪更能承受冲击、振动和温度变化的影响。

2、最常见的光学陀螺仪是光纤陀螺仪(fiber optical gyroscope,fog)。fog的构造通常涉及保偏(polarization-maintaining,pm)纤维的长回路(所述回路可以构成包括几匝的线圈)。激光从不同方向发射到pm纤维的两端。如果纤维回路/线圈在移动，那么光束彼此之间会经历不同的光路长度。通过建立干涉测量系统，可以测量与封闭回路的面积和旋转线圈的角速度成正比的微小路径长度差。

3、fog可以具有非常高的精度，但同时，它们尺寸大，非常昂贵，并且由于装置基于需要精确对准的分立光学部件来构建而难以组装。通常涉及手动对准，这很难按比例放大以进行批量生产。本公开内容提供了这个问题的解决方案，如下文进一步描述。

4、多个陀螺仪和其他传感器(例如，加速度计，在某些情况下还包括磁力计)可以封装在一起作为移动物体中的惯性测量单元(inertial measurement unit,imu)，以感测沿x、y和z轴的各种运动参数。例如，6轴imu可能具有封装在一起的3轴加速度计和3轴陀螺仪，以测量移动物体的绝对空间位移。imu的应用包括但不限于军事演习(例如，通过战斗机、潜艇)、商用飞机/无人机导航、机器人、自主车辆导航、虚拟现实、增强现实、游戏等。

5、对于导航应用，imu可以是惯性导航系统(inertial navigation system,ins)的一部分，所述惯性导航系统(ins)可以由全球导航卫星系统(global navigationsatellite system,gnss)提供的导航数据辅助，例如全球定位系统(global positioningsystem,gps)、glonass、伽利略(galileo)、北斗(beidou)等。gnss辅助式ins接收器使用复杂的融合算法，通过结合来自各种本地物理传感器的数据和从gnss获得的数据，为移动物体提供准确的位置、速度和定向。然而，当gnss信号缺失或变弱时，例如，当汽车在隧道或城市峡谷中时，来自本地物理传感器的数据成为使用替代算法(诸如，航位推算(deadreckoning,dr))进行准确位置预测的唯一来源。具有dr能力的接收器使用来自陀螺仪、加速度计、里程计、轮速传感器等的数据，以便基于最后的已知位置来预测移动物体的即将到来的位置和移动方向(航向)。

6、imu中一个感兴趣的参数是角度随机游走(angle random walk,arw)，它是描述当陀螺仪信号在有限时间量内积分以计算移动物体的角运动时发生的平均偏差或误差的噪声参数。这个误差是dr算法的关键组成部分。通常，低偏差稳定性值对应于低arw，以及低偏差估计误差。例如，偏差稳定性为0.5°/hr的陀螺仪的arw通常为0.02-0.05°/√hr，这是fog等高性能陀螺仪的特征。另一方面，低性能机械陀螺仪(例如，基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,mems)的陀螺仪)可能具有高得多的arw和偏差稳定性值(例如，0.3°/√hr的arw和3.5°/hr或更高的较高偏差稳定性值)。陀螺仪测量中的高偏差估计误差可能会使数据变得毫无意义，尤其是当传感器还经历热变化时。例如，mems陀螺仪的偏差估计误差可能在100°/hr甚至高达1000°/hr的范围内。1000°/hr范围内的大的热误差使得准确度低于100°/hr的基于陀螺仪的偏差估计变得不切实际。

技术实现思路

1、本文公开的新型小尺寸集成光学陀螺仪可以提供低于0.5°/hr的偏差稳定性和在0.05°/√hr或以下(例如，低至0.01°/√hr)范围内的arw，这使得它们就性能而言可与fog相当，但成本却低得多。集成光学陀螺仪可以基于硅光子，缩写为siphogtm(硅光子光学陀螺仪)，虽然基于化合物半导体(iii-v半导体)的集成光学陀螺仪也在本公开内容的范围内。此外，如下所述，集成光学陀螺仪可以具有由集成光子制成的前端芯片，所述芯片可以发射和接收来自旋转传感元件的光。光学陀螺仪的旋转传感元件可以包括光纤回路或另一个集成光子波导芯片(例如，基于氮化硅波导的线圈或微谐振器环)。使用集成光学陀螺仪时可用的低偏差估计误差(在1.5°/hr范围内甚至更低)对于安全关键型应用至关重要，例如计算自主车辆、无人机等的航向。应注意，“自主车辆”一词涵盖能够以半自主或完全自主模式驾驶的陆地、空中或海上载具，虽然一些具体说明性示例是关于自主陆地载具进行描述的。

2、集成光子光学陀螺仪具有两个主要部件。第一部件是集成光子芯片(例如，在硅光子光学陀螺仪的情况下为“siph芯片”或“集成siph芯片”)，其设计考虑了更高级系统架构和关键性能参数，包括但不限于激光性能、调谐参数、检测器参数以及封装注意事项。这个芯片包含激光器、移相器、检测器、分光器等。第二部件是基于波导的光学陀螺仪芯片(“og芯片”或“陀螺芯片”或“传感芯片”)，这个芯片具有波导线圈或环谐振器。波导可由氮化硅形成(sin)。因此，基于sin波导的og芯片也被称为“sin波导芯片”或简称为“sin芯片”。在一个实施方式中，og芯片与集成光子芯片混合集成。在一些先进的实施方式中，集成光子芯片与og芯片可以单片地制造在同一芯片上或通过晶片接合堆叠。陀螺仪芯片中的低波导损耗是获得所需陀螺仪灵敏度值的关键，所述灵敏度值与较低的偏差估计误差相关。

3、集成光子光学陀螺仪可以使用标准拾取和放置技术在印刷电路板(printedcircuit board,pcb)上模块化(例如，siph芯片和og芯片可以封装在一起)。pcb还可能具有集成光子芯片的控制电子器件，并且可以与支持imu主要架构的主板集成。模块化设计允许将相同的光学陀螺仪产品引入为不同市场定制的不同imu pcb，因为光学陀螺仪模块的形状因数保持不变。一个这类市场是用于自主车辆的自动驾驶辅助系统(automated driverassistance system,adas)，但是本领域技术人员将理解本公开内容的范围不仅限于adas。晶片级处理和标准ic封装和组装技术能够为各种市场(包括商业和军事应用)的各种系统架构大规模批量制造光学陀螺仪模块。

技术特征：

1.一种在自主车辆中实现机械和光学部件的混合集成以进行运动传感的惯性测量单元(imu)，所述imu包括：

2.如权利要求1所述的imu，其中所述机械模块包括基于微机电系统(mems)的陀螺仪和加速度计。

3.如权利要求1所述的imu，其中每个光学陀螺仪子模块包括旋转传感元件以及前端芯片，所述前端芯片用于将光发射和接收到所述光学陀螺仪的所述旋转传感元件中。

4.如权利要求3所述的imu，其中所述光学陀螺仪的所述旋转传感元件包括基于氮化硅(sin)的低损耗波导。

5.如权利要求4所述的imu，其中所述基于sin的低损耗波导包括具有多匝的波导线圈或微谐振器环。

6.如权利要求4所述的imu，其中所述前端芯片包括与所述sin波导旋转传感元件封装在一起的基于硅光子的集成光学部件，以形成附接到所述封装基板的硅光子光学陀螺仪子模块。

7.如权利要求6所述的imu，进一步包括一个或多个附加的硅光子光学陀螺仪子模块，用于为每个运动轴的高精度旋转测量提供冗余。

8.如权利要求7所述的imu，其中所述一个或多个附加的硅光子光学陀螺仪子模块直接附接到所述封装基板，或竖直堆叠在附接到所述封装基板的所述第一硅光子光学陀螺仪子模块上以减少占用空间。

9.如权利要求2所述的imu，进一步包括执行传感器融合算法的处理器。

10.如权利要求9所述的imu，其中用于所述传感器融合算法的输入包括来自所述光学陀螺仪子模块的所述高精度旋转测量数据、来自所述机械模块的所述低精度运动数据以及来自附加源的数据。

11.如权利要求10所述的imu，其中来自所述附加源的数据包括用于全球定位的基于卫星的导航原始数据。

12.如权利要求10所述的imu，其中来自所述附加源的数据包括来自外部传感器的原始数据。

13.如权利要求12所述的imu，其中所述外部传感器包括以下各项中的一项或多项：摄像头、雷达、lidar、热传感器和车轮里程计。

14.如权利要求10所述的imu，其中，当用于全球定位的基于卫星的导航原始数据无法获得时，所述处理器使用来自所述光学陀螺仪子模块的高精度旋转测量数据、来自所述机械模块的所述低精度运动数据和来自外部传感器的原始数据，执行航位推算(dr)算法以在无需驾驶员干预的情况下安全地停用运动。

15.如权利要求11所述的imu，其中使用用于全球定位的基于卫星的导航原始数据的准确度预测是使用来自实时动态(rtk)网络的数据来提高的。

16.如权利要求9所述的imu，其中所述处理器耦接到汽车安全认证模块。

17.一种在自主车辆中利用混合imu的增强性能的方法，所述混合imu包括用于运动传感的机械和光学部件，所述方法包括：

18.如权利要求17所述的方法，其中所述光学陀螺仪子模块包括硅光子光学陀螺仪部件。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：

20.如权利要求18所述的方法，校准所述机械模块还包括：

21.如权利要求18所述的方法，其中每个光学陀螺仪子模块的所述旋转传感元件包括呈具有多匝的波导线圈或微谐振环形式的基于氮化硅(sin)的低损耗波导。

22.如权利要求17所述的方法，其中所述三个光学陀螺仪子模块中的第一光学陀螺仪子模块沿着所述封装主体的平面附接在所述封装基板上，并且所述三个光学陀螺仪子模块中的第二光学陀螺仪子模块和第三光学陀螺仪子模块沿着彼此正交的两个不同平面垂直地附接至所述封装基板，使得所有的所述三个光学陀螺仪子模块彼此正交地对准。

技术总结
本文公开的新型小尺寸集成光子光学陀螺仪可提供0.05°/√Hr或更低范围内的ARW(例如，低至0.02°/√Hr)，这使得它们就性能而言可与光纤陀螺仪(fiber optic gyroscopes,FOG)相当，但成本却低得多。集成光子光学陀螺仪中的低偏差稳定性值对应于低偏差估计误差(在1.5°/Hr范围内甚至更低)，这对于诸如计算自主车辆、无人机、飞机等的航向等安全关键型应用至关重要自主车辆。集成光子光学陀螺仪可以与机械陀螺仪共同封装到混合的惯性测量单元(Inertial measurement unit,IMU)中，以提供对一个或多个轴的高精度角度测量。

技术研发人员：马里奥·帕尼西亚,谭清,迈克·霍顿
受保护的技术使用者：阿内洛光电子公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23