mems慣性器件調(diào)查

1、MEMS慣性器件調(diào)查報(bào)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(hào)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(hào)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(jì)和陀螺儀。采用MEMS慣性傳感器或慣性測(cè)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(cè)量組合(MIMU，MicroInertialMeasurementUnit)工作原理采用三維集成微型加速度測(cè)量敏感軸和三個(gè)正交的微型陀螺儀進(jìn)行二次集成構(gòu)成一個(gè)正交三軸組合測(cè)量系統(tǒng)。微陀螺儀用來測(cè)量角速度信息，通過坐標(biāo)變換矩陣，從而得到被測(cè)運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)信息；微加速度計(jì)用來測(cè)量加速度信息，通過坐標(biāo)變換矩陣，進(jìn)而得到被測(cè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)物體會(huì)受到與轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤上有一個(gè)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(dòng)，若一個(gè)觀察者坐在圓盤上觀察這個(gè)小球，會(huì)看到它所形成的實(shí)際軌跡不是直線，而是曲線。小球有明顯的加速度，這個(gè)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(dòng)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(duì)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(guó)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(dòng)陀螺儀該陀螺的主要性能指標(biāo)為:測(cè)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(duì)地導(dǎo)彈上[2]。此外在長(zhǎng)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(tái)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(shí)驗(yàn)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(guó)BASE公司研制了一種電磁驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)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(guó)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(yàn)。2

8、、國(guó)內(nèi)MEMS器件和慣性系統(tǒng)的發(fā)展我國(guó)微機(jī)械的研究始于1989年以跟蹤國(guó)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(jì)和三軸微機(jī)械加速度計(jì)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(guó)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(duì)慣性器件及慣性測(cè)量系統(tǒng)的要求慣性傳感器的性能指標(biāo)包括了測(cè)量范圍、測(cè)量誤差、準(zhǔn)備工作時(shí)間等方面不同的武器

9、系統(tǒng)對(duì)慣性傳感器性能指標(biāo)的要求有所不同。2.1?測(cè)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(duì)慣性傳感器的測(cè)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(cè)量范圍為?150(#)s、加速度計(jì)測(cè)量范圍為?15g的傳感器即可滿足要求對(duì)超聲速導(dǎo)彈而言慣性傳感器的測(cè)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(dòng)的變化。2.2?測(cè)量誤差導(dǎo)彈或無人機(jī)的導(dǎo)航精度與任務(wù)時(shí)間成反比關(guān)系。任務(wù)時(shí)間越長(zhǎng)慣性測(cè)量器件的測(cè)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(duì)傳感器的要求也不同。對(duì)采用自動(dòng)駕駛儀的亞聲速飛航導(dǎo)彈陀螺測(cè)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(shí)間為150s其陀螺的測(cè)量誤差小于1.5(#)min若射程增大到小于0