MEMS惯性导航传感器

1、MEMSMEMS惯性导航传感器惯性导航传感器 背景背景 对大多数导航应用而言，精度并不是最重要的 因素，在满足精度的前提下，尽可能降低成本、缩 小体积才最重要。MEMS惯性传感器在民用市场已得 到广泛应用，在战术级的导航中也开始逐渐应用， 这主要受益于利用科里奥利效应制造的各种类型的 MEMS 陀螺。目前还没有达到战术级应用的环形激 光陀螺和光纤陀螺的精度水平，但MEMS 惯性传感 器深具潜力。 1.1.位移式位移式MEMSMEMS加速度计加速度计 图为典型的垂向位移式MEMS 加速度计，铰接 的摆式质量元件悬挂在玻璃衬底的挠性弹簧上， 当有加速度时，该元件可垂直于平面转动。通过 检测位于绝缘

2、衬底上2 个电极间电容的变化即可 检测加速度。在1g 加速度作用下，质量元件转动 角度约为70 rad，也就是电极间距离发生3 10 8m 的变化，电容变化为12fF ( 10 15F 变化) 。对于100 g 15 g 动态范围，要求电 极间距离变化分辨率达到3 10 12m，或者 22. 5 个电子充电的变化。 图3 为典型平面式位移 加速度计，通过检测梳状手 指间的电容变化测量质量元 件的位移。这种加速度计对 平面( 横向) 方向的加速度 比对垂向的加速度更加敏感 。垂向和横向的加速度计可 以组合成三轴加速度计。 图4 为隧道加速度计的概略图。控制电极通 过静电作用使悬臂转向隧道位置(

3、1 um，约20 V) 。伺服机构控制隧道凸点与悬臂之间的间隙保 持稳定，从而稳定隧道电流( 约1nA) 。当有加速 度时，电极间的电压就会发生变化。这种加速度 计的分辨率可以达到10 9 g，但需要低频谐振 质量元件和亚埃级分辨率的信号读取元件 谐振式MEMS加速度计 谐振式加速度计包括VBAs，既有平面式，也 有垂向式。谐振加速度计通过检测质量元件加速 运动时，谐振臂谐振频率的变化来测量加速度， 而不是检测质量元件的位移。谐振频率的变化可 以通过检测电容或者压电而得到。当存在大压力 作用于平衡臂或者挠性物体时，通常选用压电谐 振器。当挠性物体由于加速运动发生弯曲，也会 引起谐振频率变化。

4、静电悬浮MEMS 加速度计 静电悬浮加速度计消除了需要弹性机械支持 的限制。理论精度非常高。制造精度降低，可以 更加灵活地调整加速度计的带宽和灵敏度，且无 需重新设计挠性部件。另外一个显著优点是可以 敏感3 个轴向的加速度。主要障碍在于控制回路 复杂 图6 为1. 2 mg 的球形 质量元件，内置电极直径为 1 mm。球的位置通过检测电 容获得，闭路静电力控制球 的位置。MEMS 制造过程， 球和外壳的距离通过在多晶 硅的外壳内侧刻蚀而成。为 达到太空中测量微重力的性 能，静电悬浮加速度计的噪 声水平必须优于40 g /槡 Hz。 2.MEMS 2.MEMS 陀螺陀螺 对于MEMS 惯性系统而言，获得精度合适的陀 螺比加速度计更加困难。科里奥利效应是制造振动 陀螺的理论基础。原理上，一个质量元件在平面内 做正弦振动时，如果该平面同时以角速度 做旋 转运动，则在科里奥利效应的作用下，质量元件将 垂直于平面做正弦振动，振幅与 成正比关系。 通过测量科里奥利效应作用下的运动计算角速度 M