微惯性仪表技术研究现状与进展

　　0　前言

　　惯性技术是利用惯性原理和其他相关科学原理,自主测量和控制载体角运动、线运动参数的工程技术,包括惯性仪表、惯性系统以及利用它们实现导航、制导、控制、测量等功能的技术。我国惯性技术的发展已有50多年的历史,经过几代人的不懈努力与奋斗,我国自行设计制造的导弹、卫星、飞船、飞机、舰艇、陆用车辆等所用的惯性仪表与系统已投入应用。惯性仪表包括加速度计和陀螺仪。加速度计可以自主测量运动载体的加速度,并进而推算出载体的线速度和线位移,陀螺仪可以自主测量运动载体的角速度,并进而推算出载体的角位移和角加速度。惯性仪表中的陀螺从气浮、液浮、挠性陀螺发展到三浮陀螺、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺;加速度计从机电式发展到微机械加速度计。惯性系统从早期的平台式发展到捷联式,从单一的自主惯性系统发展为惯性/多信息组合导航系统。惯性仪表及系统的性能越来越好,体积越来越小,应用范围越来越广。

　　近几十年来,微电子科学发展非常迅速,集成度不断提高,加工尺寸越来越小。微电子技术的进步也促进了微机械技术的兴起和发展,当微机械技术和微电子技术相集合,就形成了全新的微机电系统(micro electeomechanicalsystems,MEMS)。

　　20世纪80年代以来,MEMS和微型制造技术的发展推动微惯性技术和微惯性仪表的发展,导致新一代陀螺仪和加速度计的产生。包括硅微机械加速度计、硅微机械陀螺仪、石英晶体微惯性仪表、微型光学陀螺仪等等。和传统的惯性仪表相比,微惯性仪表具有以下一些特点:

　　1)体积小、质量轻、功耗低。微惯性仪表多半是通过半导体加工工艺制作的,敏感结构尺寸量级通常在微米到毫米之间,与信号处理电路集成封装后的尺寸通常在毫米到厘米量级,不仅体积小、质量轻,而且功耗小。例如,美国BEI科技公司Systron Donner惯性传感器分公司生产的LCG50,其封装尺寸为29. 4 mm×29. 4 mm×10. 7 mm。美国AnalogDevices(AD)公司ADXRS150,该陀螺仪大小为7mm×7mm×3 mm,启动时间在35 ms左右,功耗只有30mW。

　　2)易于集成批量化、成本低。由于采用了硅作为加工材料,与微电子集成电路制造工艺的兼容性好,可以将硅微惯性器件的敏感表头与信号处理电路和控制电路集成在一个芯片上,因此可以像集成电路工业那样实现大批量生产,从而显著地降低了单个仪表的生产成本,有利于推广使用。例如,ADI公司在1998年利用制造ADXL加速度传感器的Mi EMS集成技术,推出了第一个全集成的微加工陀螺ADXRS,将机械结构和处理电路集成在一块芯片上。在汽车应用中的硅微陀螺仪,其平均售价在21美元左右,到2009年降低到17美元。而传统陀螺仪价格在几万元到几百万元之间。