MEMS惯性技术

1、惯性技术一.惯性技术简介u惯性技术是惯性敏感器、惯性稳定、惯性导航和惯性测量等技术的统称。它既是一个综合性很强的学科，又是一门技术，在国防科技中占有重要地位，在国民经济某些部门中也有成功的应用，已成为衡量一个国家科学技术和军事实力的重要标志之一。u惯性技术的核心：惯性敏感器（传感器）陀螺和加速度计。u惯性技术的理论基础：三大牛顿运动定律，特别是牛顿第二定律: f=md2x/dt2, 故称为惯性技术。u惯性技术的三大参考坐标系：.惯性参考坐标系即经典力学中的惯性坐标系,根据导航定位的具体要求，坐标原点可选在日心（太阳系内行星间导航）、地球地心（地球表面附近的导航定位问题）。.地球坐标系原点在地心

2、，z轴沿地轴方向，x在赤道平面与本初子午面的交线上，y轴则与x和z轴成右手坐标系。导航定位中，运载体相对地球的位置通常不用直角坐标表示，而用经度、纬度和高度表示。用于表示地表附近运载体位置的还有地理坐标系、地平坐标系等。.运载体坐标系与运载体固连，其原点与运载体的质心重合，x轴沿运载体纵轴指向前，y 轴沿运载体横轴指右，z轴沿竖轴向上。运载体的俯仰、横滚和偏航等姿态角就是根据运载体坐标系相对于地理坐标系或地平坐标系的转角来确定的。u惯性敏感器的作用：.惯性导航和惯性制导：在运载体上安装加速度计，得到加速度信号，经过计算（一次积分和二次积分），从而求出运动轨道（载体的运动速度），进行导航。陀螺仪

3、则用于建立一个稳定的导航坐标系。2. 惯性测量：其他领域中利用惯性敏感器进行的测量。如利用传统转子陀螺仪的定轴性和摆的重力线敏感能力来建立方向基准（陀螺罗经、测斜仪、地磁稳定器、陀螺经纬仪等），利用陀螺力矩（进动性）制成的陀螺测力计，以及惯性大地测量等。 .在航空、航天、航海、兵器、钻井勘探、机器人、生物医学、消费电子、汽车等领域内，惯性敏感器可以用于各种运动参数（包括姿态角、加速度（过载、振动、冲击）的测量和稳定。二.加速度计u加速度计是一种利用敏感质量的惯性力来测量加速度的传感器。敏感质量体及其支承和信号检出装置是加速度计必需的组成部分。u原理质量-弹簧-阻尼系统性能要求灵敏度带宽分辨率量

4、程抗冲击线性度maxkxcxmoutmoutout u应用汽车军事工业控制虚拟现实参 数汽 车 应 用导 航 应 用测 量 范 围 5 0 g (防 撞 气 囊 ) 2 g（ 稳 定 系 统 ） 1 g频 率 范 围D C -4 0 0 H zD C -1 0 0 H z 精 度 1 0 0 m g（ 防 撞 气 囊 ） 1 0 m g （ 稳 定 系 统 ） 4 g 偏 轴 灵 敏 度 5 % 0 .1 % 非 线 性 2 % 2 0 00 g 1 0 g表 1 .加 速 度 计 的 性 能 要 求1g1ug0.1mg1mg商业商业应用应用战术军事战术军事应用应用安全气囊安全气囊悬挂系统悬挂

5、系统动态控制动态控制导向导向飞机飞机,汽车汽车 惯性导航惯性导航武器保险武器保险,引信引信弹道修正弹道修正军用飞机军用飞机自动驾驶，飞行控制自动驾驶，飞行控制战术导弹战术导弹战略导弹战略导弹地对地地对地地对空地对空空对空空对空空对地空对地惯性导航惯性导航保险和点火保险和点火巡航导弹巡航导弹弹道导弹惯性制导弹道导弹惯性制导航天航天u压阻、压电式u隧道式u热流式u谐振式Vs+Vs-50PFSensorVsat+Vsat-low pass filter*1FeedbackVrDEMODu电容式原理检测玻璃质量块梁电极abcfSieSid加速度计u深槽刻蚀结合键合工艺SpringAnchorProof

6、 Massxy加速度计u集成加速度计陀螺u作用及应用检测角速度商业汽车应用控制功能Control Fuctions导向功能Navigation Fuctions诊断功能DiagnosticFuctions战术军事应用弹头稳定Seeker Stabilization自动驾驶装置Autopilot稳定控制增强系统Stability Control AugmentationSystem(SCAS)短飞行时间导航Short TOF Navigation姿态导向参考系统Attitute Heading Refernce System(AHRS)10,000o/Hr10o/Hr100o/Hr1,000o/

7、Hr参 数角 速 度级 应 用战 略 级应 用惯 性 级应 用角 度 随 机 行 走 ，o/h 0.50.5-0.050.001漂 移10-10000.1-100.01模 式 因 子 精 度 ，%0.1-10.01-0.15004001ms 内 的 最 大 冲击 加 速 度 ， g103103-104103带 宽 ， H z70100100表 2.三 类 陀 螺 的 性 能 要 求陀螺u性能参数u旋转式陀螺工作原理角动量守恒优点：稳定度高、精度高缺点：磨损HdTdHT陀螺u振动式陀螺工作原理科氏力音叉式陀螺优点：无摩擦， 适合MEMS vac2陀螺u振动式陀螺角振动式陀螺陀螺u振动式陀螺面振动

8、式陀螺面内式（in plane)面外式(out-of-plane)驱动轴敏感轴输入KxKy陀螺u振动轮式陀螺u光学陀螺原理光程差光纤陀螺tRRLtRRL22驱动轴敏感轴输入KxKyFmAtxxx 2cosmFydtdyQdtydyy222AAQyxyxyxy2112222陀螺设计实例u方案确定工艺面内振动式原理分析驱动感应要求两个方向模态一致Proof MassFixed FingersDriving CombForce-Balancing ElectrodeMoving LimitationDrivenModeSense ModeInputRotation.u思想全对称弹簧设计对称电容设计消

9、除加速度的影响陀螺设计实例u结果和讨论陀螺设计实例微型惯性测量组合（MIMU）u陀螺、加速度计和处理电路的组合商业汽车应用10,000o/Hr10o/Hr100o/Hr1,000o/Hr控制功能Control Fuctions导向功能Navigation Fuctions诊断功能DiagnosticFuctions战术军事应用弹头稳定Seeker Stabilization自动驾驶装置Autopilot稳定控制增强系统Stability Control AugmentationSystem(SCAS)短飞行时间导航Short TOF Navigation姿态导向参考系统Attitute Heading Refernce System(AHRS)可利用性和当前发展计划Availibility &Current DevelopmentSchedule199619982000低性能陀螺IMU应用IMU阵列商业汽车应用控制功能Control Fuctions导向功能Navigation Fuctions诊断功能DiagnosticFuctions战术军事应用弹头稳定Seeker Stabilization自动驾驶装置Autopilot稳