微机械陀螺仪的研制现状VIP免费

第11卷第5期中国惯性技术学报2003年10月·综述与评论·文章编号：1005-6734(2003)05-0067-06微机械陀螺仪的研制现状谷庆红（江南航天集团3405厂，贵州遵义563124）摘要：介绍了当前国内外微机械陀螺仪的研制现状，阐述了微机械陀螺仪的两种典型结构，指出了微机械陀螺仪的发展方向。微机械陀螺仪正朝着小型化和低成本方向发展，将会在集成式导航系统和运动控制系统中大量使用。关键词：微机械陀螺仪；研制现状；综述；振动陀螺仪；音叉调谐微机械陀螺仪中图分类号：U666.12文献标识码：ACurrentStateofMEMSGyroResearchGUQing-hong(3405Plant,JiangnanAerospaceGroup,Zunyi563124,China)Abstract:ThispapersummarizesthecurrentstateofMEMSgyroresearch,describestwokindsofMEMSgyro’stypicalstructureuptodate,andpointsoutthedevelopingtrendofMEMSgyro.MEMSgyroisdevelopinginthedirectionofminiatureandlowcostandlargelyappliedtointegratednavigationsystemandmotioncontrolsystem.Keywords:MEMSgyro;currentstateofresearch;summary;vibratorygyro;tunedforkMEMSgyro1引言导弹的射击精度由惯导系统（INS）的精度来决定，而惯导系统的精度、成本主要决定于惯性仪表（陀螺仪和加速度计）的精度和成本，尤其是陀螺仪的漂移对惯导系统位置误差增长的影响是时间的三次方函数。但制造高精度陀螺仪不但技术难，而且成本高。因此惯性界一直寻求各种有效方法来提高陀螺仪的精度，降低惯导系统的成本。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6g，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100mg，机械器件尺寸为1.2cm×1.2cm×1.2cm，偏置稳定度为1～10(°)/h，功耗不到1W。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。例如，1985年美国的“先进中程空空导弹”系统IMU的质量为14kg，预计当采用成熟的MIMU收稿日期：2003-07-26作者简介：谷庆红（1975—），女，江南航天集团3405厂工程师，从事科技情报与翻译方面的工作。68中国惯性技术学报2003年10月时，其质量有可能降到70g。据报导，现已制造出尺寸为2.0cm×2.0cm×0.5cm的微惯性测量组合，重5g，功率小于1W。2微机械陀螺仪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梁两类。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。硅微机械陀螺仪的结构常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等，用来产生参考振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等，而检测由科氏力带来的附加振动的检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测等。光学检测也可用，但由于成本太高，因而没有太大的适用价值。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，它利用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，但音叉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。据...