mems慣性器件調(diào)查

1、MEMS慣性器件調(diào)查報告一、概?述MEMS(Micro?Electro?Me?chanicalSystems)即微機(jī)電系統(tǒng)它屬于多學(xué)科交叉的新領(lǐng)域是融合微電子與精密機(jī)械加工的技術(shù)集微型機(jī)構(gòu)、傳感器信號處理、控制等功能于一體的、具有信息獲取、處理和執(zhí)行等多功能的系統(tǒng)。完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件。組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起組成具有多功能的微型系統(tǒng)

2、集成于大尺寸系統(tǒng)中從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。基于MEMS技術(shù)生產(chǎn)的MEMS器件具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、抗沖擊、可靠性高等優(yōu)點在汽車、電子、家電、機(jī)電等行業(yè)以及軍事領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。飛航導(dǎo)彈或無人機(jī)的控制系統(tǒng)一般采用自動駕駛儀或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)兩種形式而這兩種系統(tǒng)均大量采用慣性傳感器其中動駕駛儀的慣性傳感器為陀螺儀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性傳感器為加速度計和陀螺儀。采用MEMS慣性傳感器或慣性測量系統(tǒng)可以在一定程

3、度上降低成本、減小體積、提高性能并降低功耗。二、MEMS慣性器件工作原理（1）微型慣性測量組合(MIMU，MicroInertialMeasurementUnit)工作原理采用三維集成微型加速度測量敏感軸和三個正交的微型陀螺儀進(jìn)行二次集成構(gòu)成一個正交三軸組合測量系統(tǒng)。微陀螺儀用來測量角速度信息，通過坐標(biāo)變換矩陣，從而得到被測運(yùn)動載體的姿態(tài)信息；微加速度計用來測量加速度信息，通過坐標(biāo)變換矩陣，進(jìn)而得到被測運(yùn)動載體的姿態(tài)信息。示意圖如下（2

4、）MEMS陀螺儀工作原理物理上的哥氏力現(xiàn)象是指轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系中的運(yùn)動物體會受到與轉(zhuǎn)動速度方向垂直的慣性力的作用。為了解釋哥氏效應(yīng)，我們可假設(shè)在一個轉(zhuǎn)動的圓盤上有一個小球如圖21所示，質(zhì)量為m，它從圓盤的中心向邊緣以速度1，作直線運(yùn)動，若一個觀察者坐在圓盤上觀察這個小球，會看到它所形成的實際軌跡不是直線，而是曲線。小球有明顯的加速度，這個加速度即哥氏加速度，9可由盤子的角速度矢量n和小球作直線運(yùn)動的速度矢量v的矢量積得出：α=2VXΩ(21)

5、雖然沒有真正的力作用在小球上，但對于觀察者來說，伴隨著旋轉(zhuǎn)圓盤的一種表觀作用力已經(jīng)產(chǎn)生，它直接與旋轉(zhuǎn)速率成正比?？梢杂洖镕=2m(vo)(2—2)1.2微型陀螺儀的研制現(xiàn)狀目前國外研制出了一些用于軍事的微機(jī)械陀螺主要如下:1)BEI公司生產(chǎn)出的QRS11微型陀螺儀是一種高性能的單軸、固態(tài)石英音叉微機(jī)械振動陀螺儀該陀螺的主要性能指標(biāo)為:測量范圍為?50(#)s?100(#)s?200(#)s?500(#)s?1000(#)s、恒溫100s

6、內(nèi)穩(wěn)定值為?0.002(#)s、分辨率為0.004(#)s、質(zhì)量為60g、外形尺寸為?=39mmH=17mm。目前該陀螺儀已應(yīng)用于捕食者無人機(jī)和幼畜空對地導(dǎo)彈上[2]。此外在長弓阿帕奇直升機(jī)和西科斯基的S?92直升機(jī)的慣性系統(tǒng)的穩(wěn)定平臺中也使用了QRS11陀螺[3]。2)波音公司的空間系統(tǒng)分部和噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)研制出了兩種微機(jī)械陀螺其中尺寸較小的為全硅結(jié)構(gòu)敏感部件尺寸為4mm%4mm其偏置穩(wěn)定性可達(dá)1(#)h~10(#)h另一種

7、尺寸較大的為混合結(jié)構(gòu)敏感部件尺寸為20mm%20mm其偏置穩(wěn)定性可達(dá)0.01(#)h~0.1(#)h。該陀螺的壽命可達(dá)15年JPL的微機(jī)械陀螺的主要應(yīng)用目標(biāo)是航天如微小衛(wèi)星。3)英國BASE公司研制了一種電磁驅(qū)動的振動環(huán)式微機(jī)械陀螺尺寸為10mm%10mm其軍用產(chǎn)品的偏置穩(wěn)定性達(dá)到了2(#)h并已經(jīng)應(yīng)用于英軍的垂直發(fā)射海狼導(dǎo)彈、中程反坦克導(dǎo)彈及美軍的超遠(yuǎn)程制導(dǎo)炮彈。從國外的應(yīng)用來看微機(jī)械陀螺加GPS定位的小型無人機(jī)已經(jīng)經(jīng)過了飛行試驗。2

8、、國內(nèi)MEMS器件和慣性系統(tǒng)的發(fā)展我國微機(jī)械的研究始于1989年以跟蹤國外為主。目前在新原理器件、通用微器件、以及初步應(yīng)用等方面取得了較大的進(jìn)展。20世紀(jì)90年代末完成的混合集成單軸微機(jī)械加速度計和三軸微機(jī)械加速度計以及初步真空封裝的微機(jī)械陀螺儀在精度上滿足了制導(dǎo)炮彈的要求。目前國內(nèi)已有了微傳感器的樣機(jī)并已取得了一些數(shù)據(jù)。2?武器系統(tǒng)對慣性器件及慣性測量系統(tǒng)的要求慣性傳感器的性能指標(biāo)包括了測量范圍、測量誤差、準(zhǔn)備工作時間等方面不同的武器

9、系統(tǒng)對慣性傳感器性能指標(biāo)的要求有所不同。2.1?測量范圍慣性傳感器應(yīng)能敏感武器系統(tǒng)在飛行過程中的所有角速度和加速度的變化值不同的武器系統(tǒng)對慣性傳感器的測量范圍要求不同。一般來說亞聲速飛航導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)比較平穩(wěn)軸向最大過載小于15g因此選擇陀螺測量范圍為?150(#)s、加速度計測量范圍為?15g的傳感器即可滿足要求對超聲速導(dǎo)彈而言慣性傳感器的測量范圍應(yīng)適當(dāng)增大。以某型空空導(dǎo)彈為例該導(dǎo)彈的彈體最大角速度為?250(#)s、彈體最大加速度為

10、30g因此需要選擇大量程的傳感器來適應(yīng)彈體運(yùn)動的變化。2.2?測量誤差導(dǎo)彈或無人機(jī)的導(dǎo)航精度與任務(wù)時間成反比關(guān)系。任務(wù)時間越長慣性測量器件的測量誤差就越大導(dǎo)航精度就越低。導(dǎo)彈或無人機(jī)的飛行速度基本上是固定的不同的射程對傳感器的要求也不同。對采用自動駕駛儀的亞聲速飛航導(dǎo)彈陀螺測量誤差在0.4(#)min~2(#)min即可滿足要求。如:某型飛航導(dǎo)彈射程為35km最大飛行時間為150s其陀螺的測量誤差小于1.5(#)min若射程增大到小于0