微机械陀螺仪李思卿.docVIP

微机械陀螺仪 陀螺仪的发展大致经历了下列几个过程：从20世纪50年代的液浮陀螺仪到70年代的动力调谐陀螺仪(又称挠性陀螺仪，DTG)，从20世纪80年代的环形激光陀螺仪(RLG)、光纤陀螺仪(FOG)到90年代的振动陀螺仪以及目前研究报导较多的微机械电子系统陀螺仪(简称微机械陀螺仪，MEMSG)。微机械陀螺仪在军事领域方面的应用尤为重要，如利用电子隧穿技术制造的微加速度计重6 g，灵敏度10-7g，完全能满足导航的要求；最近研制出的振动式微机械陀螺仪重100 mg，机械器件尺寸为1.2 cm×l+1.2 cm×1.2 cm，偏置稳定度为l～10(。)h，功耗不到1 w。由微机械陀螺仪和微加速度计组成的微型惯性测量组合(MIMu)，没有转动的部件，在寿命、可靠性、成本、体积和重量等方面都大于常规的惯性仪表。 微机械陀螺仪是基于微机械加工制造技术产生的高技术产品， 是当代微机械电子系统(MEMS)领域和惯性领域新兴的十分重要的分支，而MEMS及其制造技术是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,它涉及电子工程、机械工程 材料科学、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和学科。它是未来低成本、 中精度、微尺寸、低功耗、抗高过载、高可靠性惯性测量元件的发展方向。它不仅可用于炮射导弹、炮弹、末敏弹药的惯性导航系统和姿态测量系统等军事领域，同时还可以用于卫星、飞机、汽车、工业机器人、摄影、玩具、医疗器械的方向定位和姿态测量等 民用商业领域。开展这一领域的研究工作，可以加速和促进我国对新型惯性测量元件的应用，这在高新技术日益发展的今天有十分重要的研究意义。 微机械陀螺仪属于微电子机械范畴，是一种振动式角速率传感器，它按所用材料分为石英和硅振动粱两类。石英材料结构的品质因数Q值很高，陀螺仪特性最好，且有实用价值，是最早商品化的；但石英材料加工难度大，成本很高。而硅材料结构完整，弹性好，比较容易得到高Q值的硅微机械结构。随着深反应离子刻蚀技术(DRIE)的出现，体硅微机械加工技术的加工精度显著提高，在硅衬底上用多晶硅制作不仅适宜批量生产，而且驱动和检测较为方便，成为当前低成本研发的主流。 微机械陀螺仪根据驱动与检测方式分为四种：①静电驱动，电容检测；②电磁驱动，电容检测；③电磁驱动，压阻检测；④压电驱动，电容检测。其中静电驱动、电容检测的陀螺仪设计最为常见，并已有部分产品已研制成功。就目前已研制成功的微机械陀螺仪来说，其结构有以下两种：①音叉式结构，它利刚线振动来产生陀螺效应：②双框架结构，它利用角振动来产生陀螺效应。双框架角振动微机械陀螺仪研制较早，虽制作工艺简单，但音义式线振动微机械陀螺仪的灵敏度优于双框架角振动微机械陀螺仪。 微机械陀螺仪的原理 　　微机械陀螺仪利用了哥氏力现象，其原理如图1所示。当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时，并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动，就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力，其矢量可按下式计算。 式中：F(t)是哥氏力，m是该物体的质量，ΩZ是坐标系旋转的角速度，是该物体的矢量速度。 微机械陀螺仪的主要参数 　　微机械陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution）、零角速度输出、灵敏度（Sensitivity）和测量范围，这些参数是评判微机械陀螺仪性能的重要标志，同时也决定了该陀螺仪的应用环境。分辨率是指陀螺仪能够检测的最小的角速度，该参数和零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定，白噪声一般用°/s/√Hz来表征，LY530AL的白噪声只有：0.1°/s/√Hz。这三个参数着重说明该陀螺的内部性能和其抗干扰能力，而对使用者而言，灵敏度更有实际的意义，其单位是mV/°/s，由此用户可选用适合的ADC来与之匹配。测量范围是指陀螺仪能够测量的最大的角速度，单位是°/s，不同的应用对陀螺仪的测量范围有不同的要求。 国内微机械陀螺仪的发展现状 我国微机械的研究始于1989年，现已研制出数百微米大小的静电电机和直径为3 mm的压电电机。国内现已做出了微型加速度计的样机，并己取得了一些数据。清华大学导航与控制教研组的陀螺技术十分成熟，已发展了高精度静电陀螺的成熟技术，姿态漂移仅为每小叫万分之五，并已掌握微机械与光波导陀螺技术。东南大学精密仪器及机械系科学研究中心也不断进行关键部件、微机械陀螺仪和新型惯性装置与GPS组合系统的开发研究，满足广阔的军民两用市场的需要。 机械陀螺仪的发展趋势 微机械陀螺仪在过去几年受到了人们的广泛关注，但由于多方面的原因，它没有像微加速度计那样在市场上大量应用。这从另外一个方面表明了开发和应用微机械陀螺仪的潜力是很大的，因此应积极开展微机械惯性器件的研制，围绕关键技术、材料、特殊工艺和微型设计等方面进行研制。 今后微机械陀螺仪的主