中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
采用微機電系統（MEMS）技術(shù)設計的MEMS陀螺儀具有體積小、功耗低、成本低、易于與集成電路（IC）集成等優(yōu)點(diǎn)，對微納衛星、無(wú)人機群等先進(jìn)裝備的大批量部署具有重要意義。MEMS陀螺儀正在取代造價(jià)昂貴的傳統陀螺儀，目前，中低性能的陀螺儀已幾乎完全被MEMS陀螺儀取代，正在向高性能領(lǐng)域發(fā)展。MEMS碟形諧振陀螺儀（DRG）憑借其抗震性、低溫漂、高靈敏度等顯著(zhù)優(yōu)勢，是高性能諧振式MEMS陀螺儀的重要類(lèi)型。但傳統設計方法存在拓撲與性能關(guān)系預測困難、仿真評估速度緩慢、優(yōu)化嚴重依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗、迭代次數多等問(wèn)題，使得MEMS碟形諧振陀螺儀的發(fā)展緩慢。
提高M(jìn)EMS碟形諧振陀螺儀性能的設計方法
針對上述問(wèn)題，西安交通大學(xué)微電子學(xué)院王紅義教授團隊及其合作者采用了人工智能（AI）策略探索高性能新穎結構拓撲。該團隊首先在充分考慮MEMS制造工藝約束的前提下，提出了一種新的MEMS陀螺儀非參數表征方法，將陀螺儀的拓撲設計任務(wù)轉化為路徑規劃問(wèn)題；然后，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )構建代理模型，利用傳統有限元分析得到的樣本進(jìn)行訓練，實(shí)現拓撲性能的快速評估；最后，采用深度強化學(xué)習算法在整個(gè)設計空間內進(jìn)行探索，輸出性能優(yōu)異的結構拓撲。經(jīng)過(guò)8000次探索后，得到了7120種新穎的達到導航級精度的結構拓撲，其中有93.7%拓撲的性能優(yōu)于傳統多環(huán)拓撲，部分拓撲性能相較傳統拓撲甚至實(shí)現了數量級提升。借助于高效的代理模型，相較于昂貴的有限元仿真，其加速比達到了約40萬(wàn)倍，將數月的設計周期縮短到了7分鐘左右。
圖(a)MEMS碟形諧振陀螺儀從設計空間映射到完整的陀螺儀結構拓撲的步驟；圖(b)算法探索到的典型拓撲；圖(c)創(chuàng )新性拓撲設計范式，其中FBi為彈性梁結構、DWi為雙翼式結構、SSi為步進(jìn)階梯式結構；圖(d)彈性梁FB1與傳統結構應力改善分析；圖(e)雙翼結構DW1和階梯式結構SS1與傳統結構的形變分析。
該研究成果近日以“Machine learning-driven discovery of high-performance MEMS disk resonator gyroscope structural topologies”為題發(fā)表于《自然》（Nature）子刊《微系統與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）。論文第一單位為西安交通大學(xué)微電子學(xué)院，第一作者為該院博士生陳晨，通訊作者為王紅義教授。該研究由北京微電子技術(shù)研究所、西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院、荷蘭萊頓大學(xué)萊頓高級計算機科學(xué)研究所等單位合作完成，并獲得北京微電子技術(shù)研究所、國家自然科學(xué)基金資助。
