MEMS慣性導航傳感器

周紅進，鐘云海，易成濤

(海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018)

0 引言

近年來，在慣性傳感器領域，3種主要的技術在不斷提升軍用和民用能力:環(huán)形激光陀螺(RLGs)，光纖陀螺(FOGs)以及 MEMS(Micro Electro Mechanical System)陀螺和加速度計。應用這些技術制造的陀螺和加速度計已經(jīng)取代了除高精度應用領域之外幾乎所有的機械陀螺和加速度計。RLGs具有超高的標度因素穩(wěn)定性和對重力不敏感，在許多軍用領域占據(jù)重要地位。FOGs作為RLGs一種成本低廉的替代品也逐漸滲透進RLGs的應用領域。MEMS慣性傳感器對于慣性導航系統(tǒng)的小型化具有關鍵意義。MEMS創(chuàng)造了慣性導航應用的新市場，如戰(zhàn)術級別的制導彈藥以及可以與GPS芯片進行組合導航的個人導航儀。圖1所示為近100年來慣性技術的發(fā)展情況。慣性傳感器應用領域廣泛，不同級別的應用精度要求也不一樣。不同級別的應用對應的精度要求如表1所示。在實際應用中，還有其他一些重要指標，如噪聲(隨機游走)也需要加以考慮。

MEMS具有體積小、成本低廉等潛力，吸引了全世界的科研人員致力于發(fā)展民用和戰(zhàn)術級別的MEMS導航系統(tǒng)。當前已經(jīng)實用的最好MEMS IMU陀螺漂移約為5～20°/h，加速度計零偏約為1 mg，但還未真正達到戰(zhàn)術應用的精度。MEMS IMU將逐漸滲透進FOGs和RLGs占據(jù)統(tǒng)治地位的戰(zhàn)術級別的應用市場，并將開辟新的需要更小體積和更低成本的應用領域。

圖1 慣性技術發(fā)展歷史Fig.1 Inertial technology insertion history

表1 慣性傳感器應用級別Tab.1 Inertial sensor application grades

現(xiàn)在市場上已經(jīng)提供民用級的MEMS，其中很多可以與GPS進行組合導航。也有很少一部分接近戰(zhàn)術級應用的全 MEMS IMUs(Honeywell，Atlantic Inertial Systems(前身為BAE)，Northrop Grumman/LITEF公司都在生產(chǎn))。近幾年，民用級的MEMS系統(tǒng)角速度敏感精度為1°/h，加速度敏感精度為幾百μg，但還沒有產(chǎn)品化。一旦產(chǎn)品化，在不遠的將來MEMS將會在戰(zhàn)術級應用領域占領RLGs和IFOGs的市場。

1 MEMS加速度計

MEMS加速度計通過2種方式敏感加速度:1)檢測鉸接或者撓性安裝的元件質(zhì)量在加速度作用下引起的電容或者壓電變化;2)由于加速運動引起振動元件張力變化，導致振動元件振動頻率變化，通過檢測頻率變化檢測加速度。前者包括擺式或橫向加速度計，后者包括諧振加速度計或振動橫梁式加速度計 (Vibrating Beam Accelerometer，VBA)。MEMS擺式加速度計廣泛應用在戰(zhàn)術級到導航級的領域。VBA或諧振加速度計有潛力應用在更高領域。

1.1 位移式MEMS加速度計

圖2為典型的垂向位移式MEMS加速度計，鉸接的擺式質(zhì)量元件懸掛在玻璃襯底的撓性彈簧上，當有加速度時，該元件可垂直于平面轉(zhuǎn)動。通過檢測位于絕緣襯底上2個電極間電容的變化即可檢測加速度。在1g加速度作用下，質(zhì)量元件轉(zhuǎn)動角度約為70 μrad，也就是電極間距離發(fā)生3×10－8m的變化，電容變化為12fF(10－15F變化)。對于100 μg～15 g動態(tài)范圍，要求電極間距離變化分辨率達到3×10－12m，或者22.5個電子充電的變化。

圖2 下擺式MEMS加速度計Fig.2 MEMS Pendulous Accelerometer

Northrop Grumman公司制造的SiACTM就是這種加速度計的代表，Northrop Grumman公司已經(jīng)制造了20000個，發(fā)展了戰(zhàn)術和導航2種級別，而且已經(jīng)得到廣泛應用，如AMRAAM，GMLRS，以及指揮直升機。Honeywell公司、瑞士 Colibrys公司、MEMS應用公司、SiliconDesign公司、英國Sherborne傳感器公司和德國Bosch公司等公司都生產(chǎn)類似產(chǎn)品。

圖3為典型平面式位移加速度計，通過檢測梳狀手指間的電容變化測量質(zhì)量元件的位移。這種加速度計對平面 (橫向)方向的加速度比對垂向的加速度更加敏感。垂向和橫向的加速度計可以組合成三軸加速度計。

AnalogDevice公司生產(chǎn)的 ADXL150和ADXL250加速度計是平面位移式加速度計的典型代表。ADXL250可以測量2個方向的加速度，噪聲水平為，精度為10 ～50 mg。

圖3 平面位移式加速度計Fig.3 In-plane accelerometer

位移加速度計可以在開環(huán)或閉環(huán)模式中工作。Colibrys公司［1］已經(jīng)報告了高性能的RS9000系列加速度計，該系列加速度計工作在開環(huán)模式，既有平面式，也有垂向式。2種全部由硅制造而成，垂向式在上下2個電極之間懸掛了1個質(zhì)量元件。工作零偏穩(wěn)定性約為120 μg，零偏重復性為1 mg，標度因數(shù)精度為400 ppm，校正精度為65 μg/g2。1個溫度傳感器和特殊應用集成電路集成在傳感器內(nèi)，在線完成4階溫度補償。Colibrys公司［2］還展示了采用σ－δ 5階補償?shù)耐惣铀俣扔?，?jīng)過σ－δ 5階補償后，其輸出線性度得到顯著提高，并大大減小振動誤差。

Hughes Research實驗室、斯坦福大學以及其他機構(gòu)發(fā)展的隧道加速度計是垂向位移式加速度計的一種，這種加速度計具有超高的靈敏度。圖4為隧道加速度計的概略圖。

圖4 MEMS隧道加速度計Fig.4 MEMS Tunneling Accelerometer

控制電極通過靜電作用使懸臂轉(zhuǎn)向隧道位置(＜1 um，約20 V)。伺服機構(gòu)控制隧道凸點與懸臂之間的間隙保持穩(wěn)定，從而穩(wěn)定隧道電流(約1nA)。當有加速度時，電極間的電壓就會發(fā)生變化。這種加速度計的分辨率可以達到10－9g，但需要低頻諧振質(zhì)量元件和亞埃級分辨率的信號讀取元件。最新制造的隧道加速度計分辨率達到了20 ng/，工作頻率為 5 Hz～1.5 kHz［3］，其閉環(huán)動態(tài)范圍超過90 dB。但是，在未經(jīng)環(huán)路改進的情況下，大加速度敏感能力還是較低 (約1mg)。中國發(fā)展的隧道加速度計［4］在1～100 Hz的工作頻率下，分辨率達到

1.2 諧振式MEMS加速度計

諧振式加速度計包括VBAs，既有平面式，也有垂向式。諧振加速度計通過檢測質(zhì)量元件加速運動時，諧振臂諧振頻率的變化來測量加速度，而不是檢測質(zhì)量元件的位移。諧振頻率的變化可以通過檢測電容或者壓電而得到。當存在大壓力作用于平衡臂或者撓性物體時，通常選用壓電諧振器。當撓性物體由于加速運動發(fā)生彎曲，也會引起諧振頻率變化。一些壓電諧振加速度計包括:美國Systron Donner公司的諧振石英加速度計 (VQA);Kearfott公司的硅微振臂式加速度計;Honeywell公司的SiMMA加速度計;Onera公司的差分慣性振動加速度計。Onera公司的差分慣性振動加速度計的設計很巧妙，通過設計一個機械隔離系統(tǒng)，將振臂和安裝基座隔離，從而保護活動部件不受熱壓力影響，這個熱壓力是由于石英和相關材料熱擴展效應不同而引起［5］。Onera的差分慣性振動加速度計的零偏穩(wěn)定性大約為100 μg。

目前2種最高精度的MEMS加速度計均為MEMS諧振加速度計:Draper實驗室的硅擺動加速度 計 (silicon oscillate accelerometer，SOA)和Honeywell的諧振臂式加速度計 (SRBA)。SOA通過檢測電容測量頻率變化，在封閉實驗室環(huán)境，其精度達到1 μg，標度因素穩(wěn)定度達到1 ppm［6］，速度隨機游走 (－0.5斜坡)為加速度計尺寸約1立方英寸。SRBA通過高純度的單晶石英材料的壓電效應讀取頻率變化［7］。

1.3 靜電懸浮MEMS加速度計

靜電懸浮加速度計消除了需要彈性機械支持的限制。理論精度非常高。制造精度降低，可以更加靈活地調(diào)整加速度計的帶寬和靈敏度，且無需重新設計撓性部件。另外一個顯著優(yōu)點是可以敏感3個軸向的加速度。主要障礙在于控制回路復雜。

發(fā)展懸浮技術的研究機構(gòu)包括英國大學、伯克利傳感器和執(zhí)行器中心。圖5為南安普敦大學研制的圓盤懸浮裝置，其中圓盤位移通過檢測電容和閉路靜電力獲得［8］。Ball半導體、Tokinec公司和Tokohu大學開發(fā)了一種懸浮球體。圖6為1.2 mg的球形質(zhì)量元件，內(nèi)置電極直徑為1 mm。球的位置通過檢測電容獲得，閉路靜電力控制球的位置。在MEMS制造過程，球和外殼的距離通過在多晶硅的外殼內(nèi)側(cè)刻蝕而成。為達到太空中測量微重力的性能，靜電懸浮加速度計的噪聲水平必須優(yōu)于

圖5 靜電懸浮圓盤裝置Fig.5 Levitated disk

圖6 靜電懸浮球Fig.6 Levitated 1 mm dia.sphere

2 MEMS陀螺

對于MEMS慣性系統(tǒng)而言，獲得精度合適的陀螺比加速度計更加困難。科里奧利效應是制造振動陀螺的理論基礎。原理上，一個質(zhì)量元件在平面內(nèi)做正弦振動時，如果該平面同時以角速度Ω做旋轉(zhuǎn)運動，則在科里奧利效應的作用下，質(zhì)量元件將垂直于平面做正弦振動，振幅與Ω成正比關系。通過測量科里奧利效應作用下的運動計算角速度Ω。所有的石英和硅制造科里奧利振動陀螺儀(Coriolis Vibratory Gyros，CVG)都是基于這個原理?；旧纤械腗EMS CVG可以分為振動臂式、振動盤式和環(huán)形諧振框式3類。全世界已經(jīng)有大量使用和正在發(fā)展的 MEMS CVG［9－13］。MEMS IMUs 的性能主要受限于陀螺的性能，目前MEMS陀螺的靈敏度為5～30 °/h。

2.1 MEMS振動臂式 (音叉式)陀螺

1990年，Systron Donner公司開始為美國空軍“小?！睂椫圃?8000只石英速率陀螺，期限2年。1990年中期，新的技術用來大批量生產(chǎn)低成本的偏航角速率傳感器，這些傳感器最早于1997年應用在凱迪拉克汽車上。圖7為Systron Donner公司最為知名的H形石英壓電陀螺。這種陀螺為平面陀螺，敏感圓盤上的音叉角速度。到2008年，每天可以制造的這種陀螺超過40000只。后來還發(fā)展了應用在智能彈藥上的高－g陀螺。一個6自由度的IMU，包含3個陀螺和3個振動加速度計，大約1992年或稍晚，數(shù)字石英IMU(Digital Quartz IMU)誕生。DQI被嵌入到 Rockwell的 C－MIGITS中［14］，Systron Donner公司擁有制造權。

圖7 Systron Donner公司生產(chǎn)的H形石英壓電陀螺Fig.7 Systron Donner quartz rate sensor

Onera公司的振動積分陀螺 (Vibrating Integrated Gyro，VIG)為振動系統(tǒng)采取了特殊的隔離裝置 (如同DIVA加速度計一樣)，以減少結(jié)構(gòu)外的能量損耗。100 Hz帶寬下，輸出噪聲為0.01°/s/Sagem公司的Quapason陀螺有4個凸尖伸出基座，以減少輸入到輸出的交叉耦合信號。

2.2 振動盤式MEMS陀螺

圖8為Draper實驗室研制的音叉－2形陀螺(Tuning Fork Gyro－2，TFG－2)，包含2個平面狀硅質(zhì)元件，這2個平面狀硅質(zhì)元件通過折疊臂懸掛在玻璃襯底上，可以在平面內(nèi)做180°振動。尺寸在300×400 μm量級上。由于科里奧利作用力引起的平面外的運動可以通過檢測質(zhì)量元件和襯底之間的電容變化得到，這種MEMS陀螺的一個典型性能指標是:平面內(nèi)1 rad/s的輸入角速度引起作用在質(zhì)量元件上的力大約為9×10－8N，在垂直于電極方向最大有1×10－9m的峰值位移，3 aF(10－18F)的電容變化。1°/h的角速度分辨率需要能夠檢測出5×10－15m的位移和大約每個運動周期0.25電子的電量變化。Draper實驗室已經(jīng)將這種技術轉(zhuǎn)讓給Honeywell公司。性能測試數(shù)據(jù)表明最近的TFG的敏感范圍在3～50°/h(3σ補償)，工作溫度范圍為－40℃ ～85℃，振動輸入可到12000 g。這些性能已經(jīng)在增程制導彈藥和所有的抗擊彈藥高級技術制導炮彈中得到驗證［15］。Draper/Honeywell TFG系列陀螺設計已經(jīng)經(jīng)過驗證，這種陀螺可以應用在高－g場合，而且性能在不斷增強，制造技術也在提高。振動平面技術已經(jīng)在Honeywell的HG1900，1930，1940 IMUs中得到應用，1940 IMUs尺寸為2立方英寸。

圖8 Draper實驗室研制的音叉－2形陀螺Fig.8 Top view of MEMS vibrating plate gyroscope

許多平面振動式陀螺都是梳狀驅(qū)動的，這種梳狀驅(qū)動裝置由加利福利亞大學伯克利分校發(fā)明。梳狀驅(qū)動裝置采用多種結(jié)構(gòu)設計以減少敏感元件與驅(qū)動之間的耦合效應，如平面式、垂向式及振動圓盤式。研究表明性能最好的厚度在50～100 μm之間。MEMS制造上的瑕疵很容易導致不必要的性能誤差，因此關鍵在于制造技術的進步，且設計對制造工藝要求不是那么苛刻的MEMS陀螺，從而提高性能，降低成本。Analog Device公司已經(jīng)制造出民用的ADXRS陀螺，其敏感軸和驅(qū)動軸都平行于襯底，這種陀螺可以工作在氣體環(huán)境中，但性能則有限。

另外一些不依賴梳狀驅(qū)動的平面振動式MEMS陀螺也在發(fā)展中。這種設計不要求梳齒間具有很窄的間隙和很高的制造精度。JPL實驗室的MEMS陀螺［16］，采用2自由度的4片三葉草形狀元件懸掛在4個彈簧上，包括1個垂直的柱狀質(zhì)量元件，通過繞位于三葉草葉片平面內(nèi)的一根軸做搖擺運動來驅(qū)動。這是一種垂向式陀螺 (即測量的是垂直于三葉草頁面的軸向角速度)。日本正在發(fā)展一種雙萬向輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動和敏感電磁感應的MEMS陀螺［17］。挪威Sensnor公司正在發(fā)展SAR500型高精度MEMS蝴蝶陀螺，其設計性能為:ARW為零偏穩(wěn)定性為 0.04°/h，零偏重復性為 0.1°/h［18］。SAR500陀螺的敏感軸位于上下兩層敏感平面內(nèi)，這種設計可以提高靈敏度，還可以調(diào)節(jié)敏感元件和驅(qū)動之間的諧振，以便進行動態(tài)積分補償。

2.3 環(huán)形諧振MEMS陀螺

環(huán)形諧振MEMS陀螺有一個優(yōu)點:環(huán)形結(jié)構(gòu)吸收了平面內(nèi)全部敏感和驅(qū)動振動能量。但也存在一個缺點:環(huán)內(nèi)振動質(zhì)量低，因此標度因素小。圖9是一個由密歇根大學研制的單晶硅環(huán)形振動陀螺［19］。環(huán)振動頻率為27 kHz，直徑為2.7 mm，寬50 μm，寬150 μm。環(huán)由靜電力驅(qū)動振動，靜電力通過平面內(nèi)的電極施加，振動軌跡為橢圓形，是第一撓性模式振動。Z軸方向的角速度引發(fā)科里奧利效應，這將使能量從第一撓性模式轉(zhuǎn)換到第二撓性模式，模式角為45°。第二撓性模式振動幅值通過檢測電容得到。由于制造誤差引起的頻率失調(diào)可以通過平衡電極進行電子化補償。這種陀螺的標度因素為132 mv/deg/s，分辨率為7.2°/h，輸出噪聲為10.4°/h/Hz0.5。

圖9 密歇根大學研制的單晶硅環(huán)形振動陀螺Fig.9 U.Michigan vrating rng groscope

BAE公司發(fā)展了一種環(huán)形諧振器的硅振動結(jié)構(gòu)陀螺，環(huán)形諧振器由兼容輻條支撐。諧振器環(huán)的科里奧利運動通過檢測磁場變化得到，環(huán)中間安裝了一個磁鐵。這種感應式諧振環(huán)形陀螺［20］成功應用在姿態(tài)參考系統(tǒng)中，用來控制制造標準、中程反坦克制導導彈，以及其他軍事系統(tǒng)。一種全硅電容式振動環(huán)形陀螺也在發(fā)展中。BAE公司的諧振環(huán)形陀螺技術經(jīng)由大西洋慣性系統(tǒng)公司 (Atlantic Inertial Systems，AIS)授權，成功應用在 SiIMU02和SiNAV IMUs中。AIS聯(lián)合日本Sumitomo制造公司生產(chǎn)的硅傳感系列陀螺，以每個月幾千只的速度生產(chǎn)民用級別的環(huán)形諧振陀螺。DMU02這種6自由度動態(tài)測量裝置已經(jīng)應用在賽格威的載人運輸機，在CRS09的穩(wěn)定系統(tǒng)中取代了FOG，也可以與GPS進行組合導航。

2.4 其他非傳統(tǒng)MEMS陀螺

有跡象表明，傳統(tǒng)的CVG陀螺難以超過戰(zhàn)術級應用精度，因此科研人員正在研究其他的傳感技術。其中之一就是Draper實驗室于2004年開始研究的導航級積分微陀螺 (navigation grade integrated micro Gyro，NGIMG)。NGIMG將設計成芯片式的陀螺，ARW為0.001°/h，零偏穩(wěn)定性為0.01°/h，標度因素穩(wěn)定性優(yōu)于50 ppm，帶寬為300 Hz，功耗小于5 mW。早期選用了懸浮轉(zhuǎn)子技術、微核磁共振技術和石英圓盤諧振技術等。

Draper實驗室的另外一項創(chuàng)造是微標度速率積分陀螺 (microscale rate integrating gyro，MRIG)，這項研究始于2009年。這項技術將克服當前MEMS陀螺只能提供角速度而不能提供角度的限制。雖然MRIG已經(jīng)完成概念設計，但是這項創(chuàng)造需要理論科學、制造、元件和系統(tǒng)方面的技術革命，這些技術革命還不包括現(xiàn)有的技術進步。歐洲空間局資助了BAE公司、德國Bosch公司、EADS CRC公司、LITEF公司、法國Sagem公司、挪威SensoNor公司及法國Thales等公司進行市場和可行性研究，其目標是研制零偏穩(wěn)定性為0.1°/h的MEMS陀螺。能大量生產(chǎn)優(yōu)于戰(zhàn)術級精度的MEMS陀螺還需要許多年。

2.5 多軸陀螺及加速度計芯片

將平面式傳感器和垂向式傳感器集成到1塊芯片上是進一步減小體積的一個研究方向。利用這種芯片式傳感器，IMU的尺寸可以控制在0.2立方英寸內(nèi)。這種IMU可以應用于個人導航和制導子彈。芯片式傳感器將促進體積減小和成本的降低。

3 展望

慣性傳感器技術成熟度如圖10所示。圖中右下角顯示的是高成熟度的技術。從圖中可以看出，沒有新的傳感器技術出現(xiàn)在接近水平面位置，對于傳感器設計者而言下一步在哪?那就是小型化、低成本。因此未來數(shù)年將持續(xù)進行MEMS傳感器小型化和性能提升。圖11展示了慣性傳感器技術將來可能應用的領域。

圖10 慣性傳感器技術成熟度Fig.10 Inertial sensor technology maturity

圖11 慣性傳感器技術將來可能應用的領域Fig.11 Future applications for inertial sensor technology

從圖10可以看出，在不遠的將來，F(xiàn)OGs將滲透進傳統(tǒng)上由RLGs占領的領域。然而，分辨率為1°/h的2立方英寸的MEMS IMU的持續(xù)發(fā)展最終將占領戰(zhàn)術級應用領域80%的份額，并向?qū)Ш郊墤妙I域滲透。

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