微惯性仪表技术研究现状与进展

万方数据芯片上。

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。

３）可靠性好、测量范围大。

可靠性的提高主要来源于３个方面，一是没有高速旋转的转子，工作寿命长、抗冲击，甚至可以承受１０００００个ｇ以上的冲击；二是体积小、质最轻、成本低，适合于采用冗余配置方案，进一步提高可靠性；三是集成度高，惯性器件和电子线路集成在一个芯片上，减少了干扰，提高了可靠性。

传统的加速度计，由于检测质量较大，不宜测量高ｇ的加速度，而微机械加速度计，其检测质量很小，可以用来进行高ｇ的测鼍。

微机械陀螺仪质量小，没有传统的陀螺仪存在的动量矩大的问题，测量范围不受力矩器等诸多因数的制约，因而可以很容易达到较大的测量范围。

由于微惯性仪表在军用领域的重要应用价值和广泛的民用前景，因而受到各国的高度重视，纷纷投巨资加以研究。

１微机电加速度计１９７７年，美国斯坦福大学首先采用各向异性蚀刻与微光刻技术制成一种开环微型加速度计，并于２０世纪８０年代初首次投放市场，随后许多公司也纷纷仿效研制。

在８０年代后半期，人们开始研究各种力平衡式硅微加速度计，并取得了巨大进展。

１９８９年ＡＤ公司进行了叉指式力平衡加速度计（ＡＤｘＬ系列）的研究，并与德国Ｓｅｉｍｅｎｓ公司合作开发其电子测量电路，于１９９２年满足了汽车安全气囊的性能指标要求，１９９３年投产，并形成系列产品（图１）。

与此同时，美国ＣＳＤＬ（１’｝ｌｅＣｈａｒｒｉｅｓＳｔａｒｋＤｍｐｅｒＩＪａ鼯ｍｔｏｒｙＩｎｃ．），ＲｏｃｋｗｅＵ，“ｔｔｏｎ公司及日本、欧盟的不少单位分别研制成功扭摆式（图２）和悬臂梁式静电力平衡式加速度计（图３）。

这些加速度计都是将被测加速度信号转换成微电容的变化，通过对微电容的检测进行测量。

微电容检测方式具有温漂小、灵敏度高、可靠性好和稳定性较好等优点。

目前的测量范围从ｌ×ｌＯ“个ｇ一１×１０５个ｇ以上，动态范围１０３一１０５，能满足民用和战术级导航的需求。

但随着结构尺寸的极大缩小，仪表的灵敏度和分辨率大大降低，而电容检测方式受寄生效应及机械、电路噪声等影响较大，难以进一步提高测量精度。

图ｌＡＤＸＬ双轴加速度计胞Ｉｃｆｌ妇Ｂ“ｆｊｄｆ馏８月肋卅４砌，砌２ＤＪＪ，４Ｄ（Ｊ）：６一Ｊ２图３悬臂梁式加速度计结构２０世纪９０年代后期，美国加州大学柏克利分校传感器与执行器研究中心（ｎｅＢｅｒｋｅｌｅｙＳｅｎｓｏｒＡｃｔｕａｔｅｒＣｅｍｅｒ，ＢｓＡｃ），ｃｓＤＬ及Ｈｏｎｅｙｗｅｕ公司等相继开展了硅微谐振式加速度计技术的研究，这种加速度计将被测加速度信号转换成谐振器的频率变化，直接输出数字信号，避免了微电容检测的弊端。

１９９９年，ＣＳＤＬ推出的样机，其长期偏置稳定性达到５略，长期标度因数稳定性达到３１０～；２００５年，其研制的硅微谐振式加速度计，偏置稳定性和标度因数稳定性分别达到１Ｍ和ｌ×ｌＯ。

以下。

为硅微加速度计满足战略级导航需求奠定了基础。

隧道电流式加速度计（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｂａｓｅｄＩＩｌｉｃ舢ａｃｈｉｎｅｄｓｉｌｉｃ∞ａｃｃｅｌｅｍｍｅｔｅｒ，，ＩＭＳＡ）是将微机械加工的微结构与基于电子隧道效应的新的高灵敏测量技术结合在一起形成的。

其基本原理是利用在窄的真空势垒中的电子隧道效应，产生的隧道电流会随着隧道间距呈负指数关系变化，当隧道间隔每减小０．１ｎｍ，隧道电流会增加一个数量级，由此可制作出灵敏度非常高的微机械加速度计。

隧道电流式加速度计的设想首先由美国科学家凯泽（ｗ．Ｊ．Ｋａｉｓｅｒ）、沃特曼（ｓ．Ｂ．ｗａｌｔｍａｌｌ）和肯尼（Ｔ．ｗ．Ｋｅ肌ｙ）等人提出，并于１９８９年研制了折叠梁式隧道电流硅微加速度计，１９９６年，库贝拉（Ｒ．Ｌ．Ｋｕｂｅｎａ）和爱金生（Ｇ．Ｍ．Ａｔｋｉｎ－ｓｏｎ）等研制了悬臂梁式隧道电流硅微加速度计。

理论分析和试验结果表明，隧道电流硅微加速度计具有灵敏度高、信噪比大、动态范围广等一系列优点，是一种很有发展·７·万方数据前途的新型传感器。

国内微机电加速度计技术的研究始于２０世纪９０年代初，清华大学、中国电科集团第１３研究所、４９研究所、中国航天科技集团时代电子公司、上海微系统与信息技术研究所、北京大学、东南大学、中北大学、哈尔滨工业大学、、重庆大学、上海交通大学、北京理工大学、南京理工大学等多个单位先后从事这方面的研究工作，研制出的产品已能满足中低精度的需求。

２微机电陀螺仪陀螺仪是测量运动载体角运动的传感器。

根据工作方式的不同，微机电陀螺可分为振动式、转子式和介质类。

振动微陀螺通过驱动检测质量作高频振动产生动量矩，敏感基座角运动。

目前常见的包括硅振动陀螺和石英陀螺。

转子式微陀螺通过驱动检测质量作高速旋转产生动量矩，敏感基座角运动。

转子微陀螺按支承方式可分为悬浮式和调谐式。

悬浮式微陀螺，其转子体悬浮在空间，通过静电场（静电悬浮式）或磁场（磁悬浮式）控制其运动，产生动量矩并敏感角运动。

调谐式微陀螺是基于动力调谐的原理，由高速旋转的电动机通过挠性支承带动薄片转子高速旋转，产生动量矩，并敏感角运动。

介质类微陀螺则通过特殊介质传递哥氏效应产生的能量，目前包括微流体陀螺（通过气流传递）和声表面波陀螺（通过声表面波传递）等。

２．１振动式微陀螺振动式微陀螺是当前微机电陀螺的主流。

按驱动方式分，有电容驱动、电磁驱动和压电驱动；按检测方式分，有电容检测、电流检测、频率检测、电阻检测和压电检测等形式。

振动式硅微陀螺的研究始于２０世纪８０年代。

１９８５年美国ｃｓＤＬ公司在军方资助下，开始了硅微陀螺仪技术的研究，并于１９８８年推出了首款双框架平板驱动式硅微陀螺仪样机（图４）。

图４双框架硅微陀螺结构与此同时，ＢｓＡｃ研制出了静电梳齿驱动谐振器。

在此基础上，ｃｓＤＬ与波音北美公司合作，于１９９３年研制出梳齿驱动的音叉式振动陀螺仪（图５）。

它采用线振动驱动，角振动敏感检测，其性能较框架平板驱动式硅微陀螺仪有较大提高。

在１００ＭＴｏｆｒ真空条件下，驱动轴与检测·８·轴的Ｑ值分别为４００００和５０００，在６０Ｈｚ带宽下，补偿后的零偏稳定性达３３。

／ｈ。

到１９９９年，通过电子线路专用集成及与表头的一体化设计，在温控状态下，其零偏稳定性达到了ｌｏ／ｈ以内。

１９９６年，ＣＳＤＬ推出了梳齿角振动驱动（振动轮式）硅微陀螺仪，该陀螺仪采用角振动驱动和角振动检测方式，但梳状驱动器的动齿与检测电极的动极板在同一个振动轮上，驱动模态与检测模态之间存在较大的耦合（图６）。

１９９７年，德国微机械与信息技术研究所（ＩＭＩＴ）研制出了一种解耦的振动轮式陀螺仪，该陀螺仪的驱动动齿与检测动极板通过一对扭杆相隔离，大大减小了驱动模态与检测模态之间的耦合。

音叉式陀螺和振动轮式陀螺都是水平轴陀螺，检测与基座平面相平行方向的角运动信号。

图６振动轮式硅微陀螺结构１９９７年，德国ＩＭＩＴ研究所还研制出一种双线振动（ｔｗｏｌｉｎｅａｒｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ，ＬＬ）陀螺仪（图７），其驱动和检测均采用线振动方式，结构较简单，制作相对容易，但驱动模态和检测模态间存在耦合。

１９９８年，美国卡内基一梅隆大学提出了一种双线振动解耦式硅微陀螺仪（图８），其驱动结构和检测结构通过两组支撑梁完全隔离，实现了驱动模态和检测模态的完全解耦。

１９９６年，美国加州理工学院喷气推进实验室（ＪＰＬ）研制成功四叶片式平板驱动硅微陀螺仪（图９），该陀螺仪采用微加工和微组装的混合工艺，在四叶片形的硅片上组装了金属棒，有效提高了动量矩，并降低了模态频率，从而有效提高了测试灵敏度。

到２００２年，该陀螺的零偏稳定性已达到Ｏ．１０／ｈ，可工作在一５４℃一＋８５℃，其目标性能为０．０１。

／ｈ，应用目标是太空船的导航控制。

该陀螺采用真空ｈｔｔｐ：∥ｚｚＨＤ．ｃｈｉ叫ｏｕｍａｌ．Ｉｌｅｔ．ｃｎＥ—ｍａｉｌ：ｚｚ肿＠ｃｈａｉ尬ｊｏｕｎｌａｌ．１１ｅｔ．∞《机械制造与自动化》万方数据万方数据万方数据微流体陀螺是在哥氏力作用下使气流场发生偏转，产生温度差，利用热敏电阻来检测，实现角参数的测量。

它是将ＭＥＭｓ技术与传统的压电射流角速率陀螺有机结合起来的新产品。

根据气流场在哥氏力作用下偏转的原理，借鉴了热对流加速度计的性能特点，研制而成的新型微惯性器件（如图１７）。

图１７微流体陀螺示意图声表面波陀螺和微流体陀螺具有如下特点：１）承受高过载。

由于没有活动部件，其承受过载的能力比一般微机械陀螺高。

２）响应速度快。

３）寿命长。

由于它是一种固态陀螺，其寿命来自半导体器件。

４）成本低。

该类陀螺仪制作工艺相对简单，因此成本比一般陀螺低。

介质类陀螺特别适用于高过载、高动态的场合。

３微惯性器件组合及其应用微惯性仪表的出现，犹如从晶体管到集成电路一样，给惯性技术带来了一场革命。

它带来的优点不仅仅是使现有的元件成本更低、体积更小、质量更轻、功耗更低、可靠性更高等，更重要的是它使惯性技术产品不再是一个个独立的基本物理功能器件，然后组装成应用功能系统的模式，而是直接成为一个集成化的应用功能器件或系统，使系统成为一个按功能需求实现的产品。

微惯性仪表可以根据需要进行单轴陀螺仪和加速度计功能的集成，也可以进行双轴或多轴的集成，最终可以将３个（或更多个）加速度计及陀螺仪集成到同一个芯片上，构成单片集成的微惯性测量组合单元（ＭＩＭｕ）。

图１８是ＣｓＤＬ拟采用多轴集成将三轴加速度计结构、三轴陀螺结构和ＡＳＩＣ电路基片直接组合在同一芯片上，该组合单元的尺寸只有纽扣大小。

微惯性仪表还可以根据需要与导航计算机集成组合成微型捷联惯性导航系统（１Ｉｌｉｃｍｓｔｒａｐｄｏ帆ｉｎｅｒｔｉａｌｎ撕ｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ＭＳＩＮＳ），与ＧＰｓ等集成组合，构成组合导航系统。

微惯性仪表及由微惯性器件为基本单元构成的微系统在军用和民用领域都具有广泛的用途。

３．１民用领域的应用微惯性仪表与微系统在汽车工程、移动通讯、大地测量、地质勘探、微型卫星及玩具和运动器材的稳定性控制埘ａ击“＂日ｈｆ埘馏ｇ以“ｆｏｍ４咖ｎ，Ｒ６２们Ｊ，钳（Ｊ）：６一Ｊ２图１８单片集成的微惯性测量组合单元等众多领域都有着良好的应用前景。

一般来说，生产成本、性能及可靠性是微惯性仪表商业化的关键因素。

随着ＭＥＭＳ技术的飞速发展，微惯性仪表的商业化应用领域越来越广阔。

销售额每年以２０％的速度递增。

其中，份额最大的是汽车领域的应用。

现代化的汽车是一个集机械、电子、控制于一身的综合装置，随着科学技术的发展，分别提出了“ＡｓＶ”和“ＳＳＣ”的概念。

所谓ＡｓＶ，是Ａｄｖ明ｃｅｄｓ如ｔｙＶｅｈｉｃｌｅ的简称，即先进安全车。

开发ＡＳＶ的目的是最大限度地避免事故的发生和减少伤害的程度。

ＡＳＶ技术包含安全预防、事故避免、损伤减少及碰撞后乘员伤害减轻与防护技术。