基于MEMS技术的惯性测量器件及系统的发展现状和应用_文炜

控制与制导

本文2006-04-12收到,作者文炜系中国航天科工集团三院三部助理工程师

基于ME M S 技术的惯性测量器件

及系统的发展现状和应用

文　

炜

▲　M E M S 系统示意图

摘　要　简要描述了M E M S 系

统的特点,介绍了基于M E M S 技术的惯性测量器件及系统在国外的发展现状及应用情况,从武器系统低成本、小型化、高可靠性的发展趋势说明了武器系统中使用M E M S 技术的必要性,同时根据武器系统对惯性测量器件的要求,通过国外武器系统中的成功应用说明了M E M S 技术在飞航导弹或无人机的控制系统中使用的可行性,最后针对国内M E M S 技术的发展情况,对M E M S 惯性测量器件及系统在武器系统中的应用提出了相关要求。

关键词　M E M S 惯性传感器

惯性测量系统 武器系统

概　述

M E MS (M icro -E l e ctro -M e -chanical Syste m s )即微机电系统,它属于多学科交叉的新领域,是融合微电子与精密机械加工的技

术,集微型机构、传感器信号处理、控制等功能于一体的、具有信息获取、处理和执行等多功能的系统。完整的ME M S 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。

其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功

能的微型系统,集成于大尺寸系统中,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。基于ME M S 技术生产的M E M S 器件具有体积小、质量轻、成本低、抗冲击、可靠性高等优点,在汽车、电子、家电、机电等行业以及军事领域有着极为广阔的应用前景。

飞航导弹或无人机的控制系统一般采用自动驾驶仪或惯性导航系统两种形式,而这两种系统均大量采用惯性传感器,其中自动驾驶仪的惯性传感器为陀螺仪,惯性导航系统的惯性传感器

为加速度计和陀螺仪。采用ME M S 惯性传感器或惯性测量系统可以在一定程度上降低成本、减小体积、提高性能并降低功耗。

1　ME M S 传感器的发展及应用

ME M S 技术自从20世纪80年代出现以来引起了世界各国的高度重视,西方国家尤其是美国投入了大量的资金及研究人员进入这一领域。美国德雷泊实验室、喷气推进实验室、利顿公司,德国LI T EF 公司、法国SA -GE M 公司、模拟器件公司及俄罗斯维克托公司等都在ME M S 惯性器件、ME MS -I M U 和低成本

DOI 牶牨牥牣牨牰牫牫牳牤j 牣issn 牣牨牥牥牴牠牨牫牨牴牣牪牥牥牰牣牥牴牣牥牨牴

表1　AD I公司高g值加速度计

型号测量范围/g标度因数/m V g-1标度因数误差/%带宽/k H z输出电压/V输出电流/mA温度范围/℃

ADXL78±35

±50

±70

55

38

27

±50.44.75～5.251.3-40～105

ADX L193±120

±250

18

8

±50.44.75～5.251.5-40～105

ADX L278 (双轴)±35/±35

±50/±50

±70/±35

55/55

38/38

27/55

±50.44.75～5.252.2-40～105

ADX L150±5038±1314～61.8-40～85 ADX L190±10018±80.44.75～5.252-40～105 ADX L250±5038±130.44～63.5-40～85

战术级的微型惯性和组合导航技术等方面开展了大量研究。目前,已经研制出了多种基于M E MS技术的微型惯性传感器和微执行器。在微型惯性传感器的基础上构建低成本、高性能的微型惯性导航系统(M E M S I N S)正成为惯性技术领域的一个研究热点。

1.1　国外M E M S器件和惯性系统发展及现状

1.1.1　微型加速度计的研制

M E MS加速度计是所有M E MS传感器中商业化应用最成功的,已经应用于汽车安全气囊系统中,并且M E M S加速度计在精度方面已能满足战略导弹的应用要求。

在民用方面,美国模拟器件公司(Ana l o g Dev ices,I nc,简称AD I)作为M E M S传感器市场领先的供应商,提供了各种型号的M E MS加速度计,表1为ADI公司生产的高g值加速度计的型号及主要性能指标。

在军用方面,ME M S石英振梁式加速度计已经应用于战术武

器的中段制导。

1)Sunder-S trand公司研制

的振梁式加速度计,已发展成各

种专门用途的设计型号,其战术

级是第一个标准生产线产品,其

RB A-500主要应用于战术导弹和

智能炸弹的制导系统[1]。

2)1993年,美国联信电子

设备系统公司根据美国陆军导弹

司令部关于动能导弹的技术要求

研制的振梁式加速度计成功通过

了性能测试[1]。

3)20世纪90年代后期,法

国国家航空航天研究院

(ONERA)在法国武器装备部

(DGA)的资助下,开发了一种成

为振动惯性加速度计的微机械石

英振梁式加速度计V I A。该加速

度计采用整体式传感器结构,结

合石英优异的机械特性,可获得

非常好的标度因数稳定性,优化

设计的传感器结构使传感器安装

面与振动部件有效隔离,非常有

利于偏置的稳定性[1]。

1.1.2　微型陀螺仪的研制现状

目前,国外研制出了一些用

于军事的微机械陀螺,主要如

下:

1)BEI公司生产出的

QRS11微型陀螺仪是一种高性

能的单轴、固态石英音叉微机械

振动陀螺仪,该陀螺的主要性能

指标为:测量范围为±50(°)/s,

±100(°)/s,±200(°)/s,±

500(°)/s,±1000(°)/s、恒温

100s内稳定值为≤0.002(°)/s、

分辨率为0.004(°)/s、质量为

60g、外形尺寸为Υ=39mm,H

=17mm。目前该陀螺仪已应用

于捕食者无人机和幼畜空对地导

弹上[2]。此外,在长弓阿帕奇直

升机和西科斯基的S-92直升机

的惯性系统的稳定平台中也使用

了QRS11陀螺[3]。

2)波音公司的空间系统分

部和喷气推进实验室(J PL)研制

出了两种微机械陀螺,其中尺寸

较小的为全硅结构,敏感部件尺

寸为4mm×4mm,其偏置稳定性

可达1(°)/h～10(°)/h;另一种

尺寸较大的为混合结构,敏感部