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(shù)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(jìn)行微級加工可實現(xiàn)微細(xì)精密機械結(jié)構(gòu)。 常用半導(dǎo)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(xué)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(dá)等復(fù)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域軍事應(yīng)用中在汽車領(lǐng)域在醫(yī)學(xué)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(lǐng)域中的應(yīng)用1. 減輕導(dǎo)線、敏感元件和驅(qū)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(dǎo)系統(tǒng) 微陀螺儀應(yīng)用中的問題：陀螺漂移產(chǎn)生虛假輸出與GPS等其它導(dǎo)航系統(tǒng)組合，形成重量輕、體積小、成本低、可靠性高的導(dǎo)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(fù)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(xué)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(yīng)變式、電容式和諧振梁式 工作方式：開環(huán)、閉環(huán) 應(yīng)變式加速度計 開環(huán)工作方式 美斯坦福大學(xué)的產(chǎn)品通過壓阻效應(yīng)來敏感擺片在受到加速度時其支承彎曲

4、應(yīng)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(jié)構(gòu)形式：扭擺式、懸臂式 工作原理：帶有慣性質(zhì)量的擺片因受到加速度發(fā)生位置偏轉(zhuǎn)，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(zhì)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(zhì)量塊或質(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)。 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(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜電力驅(qū)動音叉雙層結(jié)構(gòu) 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(xué)研制電磁激勵，省去難加工的梳齒結(jié)構(gòu)玻璃硅玻璃三層結(jié)構(gòu) ，圖中為硅層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)簡單，易于批量生產(chǎn)。 由于陀螺本身的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)，動?xùn)攀綀鲂?yīng)管高靈敏度檢測電路和幅值、頻率及相位控制技術(shù)。 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(jié) 提高微機械陀螺的性能在結(jié)構(gòu)工藝，驅(qū)動技術(shù)和信號檢測等方面進(jìn)行改進(jìn)進(jìn)行誤差補償 通過對微機械陀螺的誤差進(jìn)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(jìn)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(gòu)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(yīng)的輸出，然后送給微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生導(dǎo)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(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)結(jié)構(gòu)工藝面加工工藝體加工工藝LIGA加工工藝信號檢測技術(shù)驅(qū)動器控制技術(shù)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(jié)構(gòu)。 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(chǔ)：單晶硅刻蝕技術(shù)。 結(jié)構(gòu)

9、：玻璃硅玻璃或硅硅硅多層“三明治結(jié)構(gòu)。 體加工工藝過程比面加工要復(fù)雜，體積大，成本高。 機械性能好；可活動結(jié)構(gòu)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(jié)合犧牲層技術(shù)，可制造大高寬比的可活動微結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(shù) 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(dāng)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(fù)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?xùn)攀綀鲂?yīng)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(qū)動器控制技術(shù) 驅(qū)動器工作方式： 電磁驅(qū)動器：由導(dǎo)體中的交流電流與直流磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動。導(dǎo)體在磁場中振動將切割磁力線，產(chǎn)生阻尼力。因此，其品質(zhì)因數(shù)比較低，檢測軸為2

11、0，驅(qū)動軸為100。 靜電驅(qū)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(qū)動器的品質(zhì)因數(shù)高，檢測軸為5000，驅(qū)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(zhì)因數(shù)成正比。所以，采用靜電驅(qū)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(dāng)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(xué)，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(jìn)可靠價廉 小衛(wèi)星實現(xiàn)的關(guān)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(jìn)的微電子技術(shù)、微電子機械系統(tǒng)和光電子技術(shù)，通過進(jìn)的微電子技術(shù)、微電子機械系統(tǒng)和光電子技術(shù)，通過多芯片組裝技術(shù)實現(xiàn)有效載荷的小型化和集

13、成化多芯片組裝技術(shù)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(dǎo)航和控制的重要途徑。 微機械慣性測量組合微電子技術(shù) 微電子技術(shù)作為當(dāng)今信息時代的基礎(chǔ)，其在國民經(jīng)濟中的戰(zhàn)略地位，已為人們所認(rèn)識，同時任何電子設(shè)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(shù)。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(jìn)的微電子技術(shù)。 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(guān)鍵，目前還沒有什么技術(shù)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(xué)、自動控制、光學(xué)、氣動力學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)和磁學(xué)等多種學(xué)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(jìn)入市場，1995年MEMS的市場規(guī)模已達(dá)15億美元，當(dāng)時預(yù)計2000年可達(dá)140億美元。 微機械慣性測量組合光電子技術(shù)傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合，大大加速了光電子技術(shù)的發(fā)展，使光通信、遙感、成象等領(lǐng)域都在飛速發(fā)展，已成為當(dāng)前國際上發(fā)展最快的應(yīng)用技術(shù)之一。光電子技術(shù)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(guān)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(gòu)成更大功能的組件或分系統(tǒng)，這就突出了裝配技術(shù)裝配技術(shù)。 目前，影響系統(tǒng)小型化的主要因素是芯片的組裝技術(shù)芯片的組裝技術(shù)。最先進(jìn)的多芯片組裝（多芯片組裝（MCM）技術(shù)）技術(shù)，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(jì)，提出對于小飛行器的“集成通用組件”（IUM）概念，集結(jié)構(gòu)完整，熱學(xué)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(guān)鍵技術(shù)

16、和解決途徑的關(guān)鍵技術(shù)和解決途徑 MIMU用于衛(wèi)星導(dǎo)航與控制的優(yōu)點用于衛(wèi)星導(dǎo)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(guān)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(biāo)系的三軸相對某些參考坐標(biāo)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(shè)備。這些設(shè)備利用光學(xué)原理、力學(xué)慣性原理、無

17、線電測量原理以及地球磁場原理設(shè)計的。按照不同的參考基準(zhǔn)可分為六類。 以天體為參考基準(zhǔn)：太陽敏感器，星敏感器； 以地球為參考基準(zhǔn)：紅外地平儀，反照敏感器； 以慣性空間為參考基準(zhǔn)：陀螺，加速度計； 以地面站為參考基準(zhǔn)：射頻（無線電）敏感器； 以地球磁場為參考基準(zhǔn)的磁強計； 以地貌為參考基準(zhǔn)的陸標(biāo)敏感器。微機械慣性測量組合空間慣性系統(tǒng) 慣導(dǎo)系統(tǒng)在宇宙飛行器上是不單獨應(yīng)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(xué)儀器。 因為慣性系統(tǒng)能自主地完成任務(wù)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(fù)雜的衛(wèi)星上都離不開慣性測量系統(tǒng)。 光學(xué)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(jìn)入其視場等。否則光學(xué)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(xué)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(zhuǎn)動，而只能測量繞與連線垂直方向的轉(zhuǎn)動。微機械慣性測量組合空間慣性系統(tǒng) 大部分光學(xué)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(yīng)用方便、數(shù)據(jù)處理比較簡單。而不少光學(xué)儀器則需要外界提供衛(wèi)星的坐標(biāo)和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。 慣性系統(tǒng)的嚴(yán)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(dá)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(shù)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(wù)：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