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±70553827±50.44.75～5.251.3-40～105ADX L193±120±250188±50.44.75～5.251.5-40～105ADX L278 (双轴)±35/±35±50/±50±70/±3555/5538/3827/55±50.44.75～5.252.2-40～105ADX 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,敏感部件尺寸为20mm×20mm,其偏置稳定性可达0.01(°)/h～0.1 (°)/h。

该陀螺的寿命可达15年,JPL的微机械陀螺的主要应用目标是航天,如微小卫星。

3)英国B ASE公司研制了一种电磁驱动的振动环式微机械陀螺,尺寸为10mm×10mm,其军用产品的偏置稳定性达到了2 (°)/h,并已经应用于英军的垂直发射海狼导弹、中程反坦克导弹及美军的超远程制导炮弹。

从国外的应用来看,微机械陀螺加GPS定位的小型无人机已经经过了飞行试验。

1.1.3　ME M S I NS和M E M S I M U 的研制情况国外一些主要研究惯性器件的公司、大学、研究中心等都在M E MS I M U和ME M S I N S方面开展了大量研究,并取得了一定的研究成果。

1)瑞典研究所2003年研制的第二代M E M S I N S的体积为49c m3,其I M U(惯性测量装置)的陀螺和加速度计的零偏稳定性为50(°)/h和300μg,单独的M E MS陀螺的性能达到了1(°)/ h,标度因子稳定性为4×10-4。

预计,2005年M E MS I N S的体积更小(33c m3),质量更轻(30g),系统中I M U大小为16c m3,陀螺和加速度计的零偏稳定性为1 (°)/h和100μg,单独的ME M S 陀螺的性能达到了0.2(°)/h,标度因子稳定性为1×10-4[4]。

2)D r aper实验室最新研制的M E M S I M U体积为133c m3(包括外壳安装部件),质量272g,输入电压为5V(DC),总功耗为3.1W,最大可承受加速度为20000g,零偏和标度因数的多次启动重复性分别为3(°)/h和7.0×10-5,随机游走在0.05(°)/h到0.09(°)/h之间,在0℃～70℃温度变化范围内,一次启动的零偏和标度因数平均为8(°)/h和2.5×10-4,采用ALLAN方差,评价该I M U内陀螺的零偏稳定性,对1000s时间内的数据进行平均,I M U内部陀螺的零偏稳定性指标达到0.1(°)/h[4]。

3)雷锡恩公司正在研制的增程制导弹药(ERGM)使用了B AE航空系统公司生产的M E MSI M U[5],2000年,该I M U在专用81mm迫击炮多发弹发射试验中抗震能力达16000g,并在2001年1月的首次全弹制导发射飞行中有效完成了它的任务[6]。

此外,美军的亚瑟王神剑(Exca li-bur)X M-982制导炮弹中也使用了BAE航空系统公司的M E M SI M U。

据报道,2005年美军在伊拉克清剿反美武装的费卢杰战斗中,XM-982已经初露锋芒[7]。

1.2　国内ME M S器件和惯性系统的发展我国微机械的研究始于1989年,以跟踪国外为主。

目前在新原理器件、通用微器件、以及初步应用等方面取得了较大的进展。

20世纪90年代末,完成的混合集成单轴微机械加速度计和三轴微机械加速度计以及初步真空封装的微机械陀螺仪,在精度上满足了制导炮弹的要求。

目前,国内已有了微传感器的样机,并已取得了一些数据。

2　武器系统对惯性测量器件及惯性测量系统的要求惯性传感器的性能指标包括了测量范围、测量误差、准备工作时间等方面,不同的武器系统对惯性传感器性能指标的要求有所不同。

2.1　测量范围惯性传感器应能敏感武器系统在飞行过程中的所有角速度和加速度的变化值,不同的武器系统对惯性传感器的测量范围要求不同。

一般来说,亚声速飞航导弹的飞行姿态比较平稳,轴向最大过载小于15g,因此选择陀螺测量范围为±150(°)/s、加速度计测量范围为±15g的传感器即可满足要求;对超声速导弹而言,惯性传感器的测量范围应适当增大。

以某型空空导弹为例,该导弹的弹体最大角速度为±250(°)/s、弹体最大加速度为30g,因此需要选择大量程的传感器来适应弹体运动的变化。