微機械慣性測量組合

1、微機械慣性測量組合微機械慣性測量組合國內(nèi)外微機械慣性傳感器的發(fā)展概況國內(nèi)外微機械慣性傳感器的發(fā)展概況 大規(guī)模集成電路加工技術可用于微機械系統(tǒng)的加工 對硅基片、石英晶片或鈮酸鋰片進行微級加工可實現(xiàn)微細精密機械結構。 常用半導體材料硅本征電阻率高；在高溫蒸汽中表面易氧化，形成具有化學惰性和電絕緣性的SiO2硅提純方便，價格便宜；已可加工微型閥門、彈簧、噴嘴等還可生產(chǎn)力傳感器、壓力傳感器，慣性傳感器慣性傳感器和馬達等復雜元件 微機械慣性測量組合國際微機械傳感器的研制情況微機械陀螺：靜電、電磁、壓電激勵，電容、壓阻檢測微機械加速度計：應變式、電容式、諧振梁式Draper實驗室研制微型振動陀螺與微型硅加

2、速度計組成的微型IMU。BEI公司的微型數(shù)字石英陀螺微型數(shù)字石英陀螺已被Honeywell司用于AV一SB“鷂”式飛機飛控系統(tǒng)。微機械慣性測量組合微機械慣性傳感器及系統(tǒng)精度相對較低，但成本低、體積小，抗沖擊性強眾多應用領域軍事應用中在汽車領域在醫(yī)學界微機電系統(tǒng)是未來制造業(yè)的一種基本方法。 微機械慣性測量組合在航空航天領域中的應用1. 減輕導線、敏感元件和驅動部件的重量。2. 微型加速度計和微型陀螺儀，可組成慣性測量或制導系統(tǒng) 微陀螺儀應用中的問題：陀螺漂移產(chǎn)生虛假輸出與GPS等其它導航系統(tǒng)組合，形成重量輕、體積小、成本低、可靠性高的導航與定位系統(tǒng)。微機械慣性測量組合 微機電系統(tǒng)的主要優(yōu)點 尺寸

3、很小，重量輕，與大部件相比，具有更好的剛性、更高的諧振頻率和帶寬及其它較優(yōu)越的性能，也更容易固定。 可重復性好。 將微電子線路和機械系統(tǒng)緊密地聯(lián)系在一起形成完整的單一系統(tǒng)。 國內(nèi)的研究狀況 微機電系統(tǒng)的發(fā)展剛開始，發(fā)展為慣性器件作為重點。 從1995開始，清華大學研制出微型陀螺儀和微型加速度計的原理樣機。 北航在壓力微傳感器的研制方面開展了大量工作。 其它高校和科研單位單位開展了這方面的研究工作。微機械慣性測量組合微機械加速度計性能和工作原理 工作機理：應變式、電容式和諧振梁式 工作方式：開環(huán)、閉環(huán) 應變式加速度計 開環(huán)工作方式 美斯坦福大學的產(chǎn)品通過壓阻效應來敏感擺片在受到加速度時其支承彎曲

4、應變的原理來測量加速度。圖1 加速度計的頂視圖（a）和中心剖面圖（b）微機械慣性測量組合 電容式加速度計 閉環(huán)工作方式 結構形式：扭擺式、懸臂式 工作原理：帶有慣性質量的擺片因受到加速度發(fā)生位置偏轉，擺片所帶的電容極板的位移使電容值發(fā)生變化，采用交流電橋測量出電容量變化，經(jīng)再平衡電路反饋電壓給靜電力矩器以產(chǎn)生靜電力，使擺片保持在零位附近。 圖 2 扭擺式電容式電容式硅加速度計硅加速度計原理圖微機械慣性測量組合諧振梁式加速度計通過測量聯(lián)接慣性質量和殼體基座諧振梁的頻率變化來測量加速度的。優(yōu)點：低成本、高可靠性和高溫度穩(wěn)定性。微機械加速度計的試制情況采用體加工方法，研制成功g級的高精度微機械加速度

5、計。玻璃硅玻璃或硅硅硅“三明治。微機械慣性測量組合微機械陀螺儀性能和工作原理 80年代后期才發(fā)展起來的一種新型陀螺 工作原理： 敏感元件（質量塊或質量片）在激勵模態(tài)下振動，沿垂直于振動方向的對稱軸施加輸入角速度，在哥氏力的作用下，質量塊將在三維空間的另一方向上以敏感模態(tài)同頻率振動，幅度與輸入角速度大小成正比。 由于激勵與檢測方法不同，所以出現(xiàn)了不同的結構。 微機械慣性測量組合 振動方式：角振動式、線振動式 框架式角振動陀螺：Draper實驗室于1988年研制沒有高速旋轉的陀螺轉子，而是繞撓性樞軸高頻率振動的部件 漂移不定性為5000h，適用于短時間導航。 音叉式線振動陀螺儀：1993.5 Dr

6、aper實驗室研制成功。采用單晶硅梳狀結構產(chǎn)生靜電力驅動音叉雙層結構 靜電激勵、電容檢測方式靜電激勵、電容檢測方式微機械慣性測量組合音叉式線振動陀螺：1994，日本東北大學研制電磁激勵，省去難加工的梳齒結構玻璃硅玻璃三層結構 ，圖中為硅層結構長和寬均約20mm，硅層厚度200m，兩層玻璃厚度均為 250m。 圖12電磁激勵的線振動陀螺原理結構 電磁激勵、電容檢測方式微機械慣性測量組合諧振棒式線振動陀螺線性度好，結構簡單，易于批量生產(chǎn)。 由于陀螺本身的結構設計對加速度很 敏感，所以精度并不比其它陀螺高圖13 諧振棒式線振動陀螺儀原理結構 壓電激勵，電容檢測方式微機械慣性測量組合電磁激勵，壓阻檢測

7、方式其它工作方式的微機械陀螺 采用音叉式機械結構，動柵式場效應管高靈敏度檢測電路和幅值、頻率及相位控制技術。 將陀螺的機械尺寸放大微機械慣性測量組合微機械陀螺總結 提高微機械陀螺的性能在結構工藝，驅動技術和信號檢測等方面進行改進進行誤差補償 通過對微機械陀螺的誤差進行建模，來實現(xiàn)誤差補償 。 精確建模和誤差補償將使微機械陀螺的性能進一步提高。 微機械慣性測量組合微慣性測量組合（MIMU） 1994，Draper實驗室研制MIMU 構成：三只微機械陀螺儀和三只微機械加速度計，在立方體的三個正交平面上。 MIMU最終尺寸為，重約5g。 電子線路的所有功能模塊集成在一塊硅片上。 較成熟實用的系統(tǒng)方案

8、：每一個慣性儀表都配備自己的專用集成電路并產(chǎn)生相應的輸出，然后送給微處理器進行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生導航信息。 微機械慣性測量組合 Draper研制的三軸加速度計，混合包裝面積為，帶前置放大器，用于制導炮彈 。圖14 三軸100g加速度計微機械慣性測量組合微機械慣性裝置的關鍵技術結構工藝面加工工藝體加工工藝LIGA加工工藝信號檢測技術驅動器控制技術微機械慣性測量組合面加工工藝 工藝過程相對比較簡單。 它是在基片上淀積或生長多晶硅層來制造微機械結構。 儀表的分辨率和靈敏度都有限。 面加工加速度計的性能極限：分辨率極限只有分辨率極限只有1 mg。 微機械慣性測量組合體加工工藝 基礎：單晶硅刻蝕技術。 結構

9、：玻璃硅玻璃或硅硅硅多層“三明治結構。 體加工工藝過程比面加工要復雜，體積大，成本高。 機械性能好；可活動結構部分的尺寸增加了，儀表的分辨率和靈敏度高 目前，LITTON，LITEF、HITACHI以及Neuchatel的加速度計都采用體加工工藝，獲得了獲得了g的測量精度的測量精度。微機械慣性測量組合LIGA加工工藝即：X光同步輻射光孤電成型及微壓塑工藝。由德國首先開發(fā)出耒，可用激光代替X光。結合犧牲層技術，可制造大高寬比的可活動微結構，結構材料可是金屬。傳感器靈敏度高。但LIGA工藝需要同步輻射光源，成本昂貴。 微機械慣性測量組合信號檢測技術 必須有檢測位移的信號器，被測位移范圍為 0.11

10、m。 信號器的重要性能參數(shù) 當前使用的信號器 壓阻式傳感器 輸出阻抗低，但靈敏度也低，輸出電平只有l(wèi)050mv，而且靈敏度的溫度漂移比較大，為200ppm/0c。 電容式傳感器敏度高，熱漂移小，溫度穩(wěn)定性好。但變換電路復雜，易受電磁干擾。 隧道電流傳感器分辨率和靈敏度都很高 。但隧道電極易受污染，隧道電流會隨時間變化。 動柵式場效應管靈敏度比電容傳感器高一些。但是，噪聲強度增加，且溫度穩(wěn)定性有所降低。 微機械慣性測量組合驅動器控制技術 驅動器工作方式： 電磁驅動器：由導體中的交流電流與直流磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力驅動。導體在磁場中振動將切割磁力線，產(chǎn)生阻尼力。因此，其品質因數(shù)比較低，檢測軸為2

11、0，驅動軸為100。 靜電驅動器：利用靜電場的吸力，使音叉產(chǎn)生簡諧振動。由于靜電力與外加電壓的平方成正比，為了產(chǎn)生交變力，供電電壓必須由直流和交流兩部分組成。靜電驅動器的品質因數(shù)高，檢測軸為5000，驅動軸為4000。 一般來說，微機械陀螺在諧振狀態(tài)下工作，靈敏度與品質因數(shù)成正比。所以，采用靜電驅動器是比較優(yōu)越的。微機械慣性測量組合小型衛(wèi)星有效載荷的小型化集成化與微電子機械系統(tǒng)（MEMS）近年來，隨著有效載荷小型化和集成化的飛速發(fā)展，小型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星已成為當代衛(wèi)星發(fā)展的一個重要趨勢。衛(wèi)星的重量分類：英國的薩瑞（SURREY）大學，從1981年以來，已成功地發(fā)射了十幾顆小衛(wèi)星，用于通信、遙感、

12、監(jiān)測和干擾等目的 。微機械慣性測量組合 圖17為薩瑞微衛(wèi)星在工作臺上的外形圖像，重量為70kg，主體外形尺寸330mm300mm640mm。發(fā)射至高度為560公里的軌道上運行。 圖18為瑞典研制的微小衛(wèi)星，圖中所示太陽能電池平板在運行時為張開位置。 圖17 英國薩瑞微衛(wèi)星 圖18 瑞典微小衛(wèi)星微機械慣性測量組合 小衛(wèi)星的優(yōu)點快速先進可靠價廉 小衛(wèi)星實現(xiàn)的關鍵：有效載荷的小型化和集成化，即要走“兩微一光，多芯片組裝兩微一光，多芯片組裝”之路，也就是必須采用先采用先進的微電子技術、微電子機械系統(tǒng)和光電子技術，通過進的微電子技術、微電子機械系統(tǒng)和光電子技術，通過多芯片組裝技術實現(xiàn)有效載荷的小型化和集

13、成化多芯片組裝技術實現(xiàn)有效載荷的小型化和集成化。 采用微機械慣性裝置則是實現(xiàn)微小衛(wèi)星導航和控制的重要途徑。 微機械慣性測量組合微電子技術 微電子技術作為當今信息時代的基礎，其在國民經(jīng)濟中的戰(zhàn)略地位，已為人們所認識，同時任何電子設備和系統(tǒng)的小型化、集成化無不首先要立足于微電子技術。事實上，小衛(wèi)星的出現(xiàn)和發(fā)展，直接受益于采用了先進的微電子技術。 美國航天局提出的“新盛世計劃新盛世計劃”（小航天器計劃）（小航天器計劃）要求有效載荷分系統(tǒng)的電子線路和部件集成在一個僅為1cm3大小的體積內(nèi)，但功率放大器的集成是小衛(wèi)星小型化的關鍵，目前還沒有什么技術突破。 微機械慣性測量組合微電子機械系統(tǒng)（MEMS） M

14、EMS涉及到微電子學、自動控制、光學、氣動力學、流體力學、聲學和磁學等多種學科。 代表特征：極小的尺寸，最大尺寸在毫米量級，小至微米和亞微米。 MEMS特點：體積小、重量輕、功耗低、功效高、可靠性高、機械強度高、能承受惡劣環(huán)境條件。不產(chǎn)生蠕變和疲勞、使用壽命長等。另一個重要特點是價廉，因而能很快進入市場，1995年MEMS的市場規(guī)模已達15億美元，當時預計2000年可達140億美元。 微機械慣性測量組合光電子技術傳統(tǒng)的光學技術與現(xiàn)代微細加工技術相結合，大大加速了光電子技術的發(fā)展，使光通信、遙感、成象等領域都在飛速發(fā)展，已成為當前國際上發(fā)展最快的應用技術之一。光電子技術的最新成果將成為小衛(wèi)星有效

15、載荷減小體積、減輕重量的關鍵因素。 微機械慣性測量組合多芯片組裝 “兩微一光”提供了小型化電路和部件，它們是要連接裝配以構成更大功能的組件或分系統(tǒng)，這就突出了裝配技術裝配技術。 目前，影響系統(tǒng)小型化的主要因素是芯片的組裝技術芯片的組裝技術。最先進的多芯片組裝（多芯片組裝（MCM）技術）技術，對整機和系統(tǒng)的小型化起到了決定性的作用。 美國NASA著眼于21世紀，提出對于小飛行器的“集成通用組件”（IUM）概念，集結構完整，熱學處理、功耗、數(shù)據(jù)和信號傳輸、防輻射、防宇宙塵埃以及其它電子和機械功能在一個重量輕、體積小的無電纜連接的封裝中，形成一個大功能塊。微機械慣性測量組合星載星載MIMU的關鍵技術

16、和解決途徑的關鍵技術和解決途徑 MIMU用于衛(wèi)星導航與控制的優(yōu)點用于衛(wèi)星導航與控制的優(yōu)點 微小衛(wèi)星采用MIMU是一個重要的發(fā)展方向。MIMU重量輕、價格低、可靠性高、壽命長、耗能少。衛(wèi)星失重狀態(tài)有利于減少MIMU與重力有關的誤差；衛(wèi)星艙的真空狀態(tài)又有利于MIMU保持其內(nèi)部真空狀態(tài)，從而減少振動的阻尼，提高儀表的Q值和靈敏度。MIMU不會對衛(wèi)星產(chǎn)生干擾力矩。 缺點缺點 精度低。解決方法：采用組合方法。微機械慣性測量組合其它姿態(tài)敏感器其它姿態(tài)敏感器 空間飛行器的姿態(tài)是機體坐標系的三軸相對某些參考坐標系的方位或指向。 姿態(tài)敏感器就是為獲取這些信息的機載硬件設備。這些設備利用光學原理、力學慣性原理、無

17、線電測量原理以及地球磁場原理設計的。按照不同的參考基準可分為六類。 以天體為參考基準：太陽敏感器，星敏感器； 以地球為參考基準：紅外地平儀，反照敏感器； 以慣性空間為參考基準：陀螺，加速度計； 以地面站為參考基準：射頻（無線電）敏感器； 以地球磁場為參考基準的磁強計； 以地貌為參考基準的陸標敏感器。微機械慣性測量組合空間慣性系統(tǒng) 慣導系統(tǒng)在宇宙飛行器上是不單獨應用的，需其它敏感器輔助。 衛(wèi)星測姿常用敏感器：地球敏感器，太陽敏感器、星敏感器等光學儀器。 因為慣性系統(tǒng)能自主地完成任務而不依賴于外界條件，在大部分衛(wèi)星上，特別是在控制精度高、控制功能比較復雜的衛(wèi)星上都離不開慣性測量系統(tǒng)。 光學儀器只有

18、在捕獲到參考天體的情況下才能起測量作用。如地球(太陽)敏感器必須捕獲到地球(太陽) ，星敏感器(跟蹤器)則必須有參考星體進入其視場等。否則光學儀器將不能發(fā)揮作用。 慣性系統(tǒng)可測量載體繞任一軸的姿態(tài)角。光學敏感器卻很難做到這一點。地球敏感器只能測量衛(wèi)星相對于水平面的俯仰和滾動，而不能測量偏航；太陽敏感器不能測量衛(wèi)星繞太陽衛(wèi)星連線的轉動，而只能測量繞與連線垂直方向的轉動。微機械慣性測量組合空間慣性系統(tǒng) 大部分光學儀器只能提供斷續(xù)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，而陀螺能給出連續(xù)的姿態(tài)信息。 陀螺應用方便、數(shù)據(jù)處理比較簡單。而不少光學儀器則需要外界提供衛(wèi)星的坐標和復雜的數(shù)據(jù)處理。 慣性系統(tǒng)的嚴重缺點陀螺的誤差即漂移速率，它引起的姿態(tài)角測量誤差是隨時間累積的。衛(wèi)星的工作時間可長達數(shù)年之久，因此只用陀螺作為敏感元件，在這樣長的時間內(nèi)要滿足精度要求，在技術上幾乎是不可能的。必須用其它敏感器經(jīng)常修正陀螺的漂移。而用慣性敏感器提供連續(xù)的姿態(tài)數(shù)據(jù)、互相取長補短，才能組成性能優(yōu)良而又價格便宜的系統(tǒng)。 微機械慣性測量組合 美國美國Orbview4衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)商用高精度的地球景象衛(wèi)星任務：產(chǎn)生、處理和分派一米長的全色圖象和四米長的多頻譜圖象。沿高度為470