微惯性测量组合关键技术与应用

　　1　引　言

　　在惯性仪表系统中,惯性敏感器件———陀螺仪和加速度计是其重要的组成部分同时也是制约仪表小型化和微型化的瓶颈,长期以来人们一致在探寻使其小型化的途径和方法。20世纪80年代后期以来,继微米/纳米技术成功地应用于大规模集成电路的制作后,人们便开始采用微电子机械加工技术制造各种微型传感器和微机电系统(MEMS),微机械惯性敏感器就是其中之一,它是集微型精密机械、微电子、半导体集成电路工艺等新技术于一身的前沿新技术。它的出现使惯性技术产生一次新的飞跃。微惯性敏感器件由于其是在单晶硅、石英晶体、铌酸锂等电光材料芯片上应用光刻、腐蚀、沉积、离子注入、键合等微机械加工技术批量生产,因此具有体积小、重量轻、成本低、功耗小和可靠性高、易于实现数字化和智能化等特点。微机械惯性敏感器的研制把基于旋转和非旋转的惯性敏感器从宏观概念向微观世界推进了一大步,近年来,特别是微电子加工技术与振动惯性技术的有机结合使惯性仪表技术发生了重大的变革,因而大大拓展惯性技术在军用和民用领域中的应用。

　　2　微惯性测量组合的关键技术

　　微惯性测量组合的关键技术主要归结为两个方面:一方面是微惯性敏感器-微机械陀螺和加速度计;另一方面是微惯性测量组合技术,包括系统的结构、信号采集处理电路、组合测量解算算法以及系统的温度控制与补偿等均对系统的性能起着重要的影响。

　　2.1　微惯性器件———微机械陀螺和加速度计

　　从斯坦福大学于1977年首先采用微加工技术制造出第一个开环硅加速度计和美国Draper实验室在上个世纪80年代中叶首先基于振动陀螺的原理提出微机械陀螺的概念以来,微惯性敏感器件已取得了巨大的进展。

　　目前,微机械陀螺的实现方案可归结为框架式、音叉式、振动轮式、振动棒式、振动环式和四叶式等几种方案,其中以基于音叉式方案为基础的微机械陀螺发展最为成熟和流行并已形成系列产品[1]。微机械音叉式陀螺一般采用图1所示[2]的单晶硅平板梳状结构,它由一组挠性折叠梁支承在梳状驱动器的交变静电作用下在平面内作反向音叉式振动。当在该平面内,沿与质量块振动方向相垂直的轴上有角速度输入时,在哥氏力的作用下质量块做上下振动,其振幅与角速度大小成正比。质量块下方的电容电极敏感这种振动并通过反馈回路施加静电力使其保持平衡位置。反馈电压经信号处理后获得与角速度成正比的电压。

　　目前,音叉式微机械陀螺经过热补偿后,其漂移速率稳定在10~100deg/h。热补偿条件下,漂移数据接近1deg/h陀螺已有样品,未来期望的性能指标是达到0.1deg/h。在同一块芯片上集成有三个微机械陀螺并配有相应的电子电路的三轴微陀螺组合已形成产品[2]。