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1、MEMS惯性导航传感器,背景,对大多数导航应用而言，精度并不是最重要的因素，在满足精度的前提下，尽可能降低成本、缩小体积才最重要。MEMS惯性传感器在民用市场已得到广泛应用，在战术级的导航中也开始逐渐应用，这主要受益于利用科里奥利效应制造的各种类型的MEMS 陀螺。目前还没有达到战术级应用的环形激光陀螺和光纤陀螺的精度水平，但MEMS 惯性传感器深具潜力。,1.位移式MEMS加速度计,图为典型的垂向位移式MEMS 加速度计，铰接的摆式质量元件悬挂在玻璃衬底的挠性弹簧上，当有加速度时，该元件可垂直于平面转动。通过检测位于绝缘衬底上2 个电极间电容的变化即可检测加速度。在1g 加速度作用下，质量元
2、件转动角度约为70 rad，也就是电极间距离发生3 10 8m 的变化，电容变化为12fF(10 15F 变化)。对于100 g 15 g 动态范围，要求电极间距离变化分辨率达到3 10 12m，或者22.5 个电子充电的变化。,图3 为典型平面式位移加速度计，通过检测梳状手指间的电容变化测量质量元件的位移。这种加速度计对平面(横向)方向的加速度比对垂向的加速度更加敏感。垂向和横向的加速度计可以组合成三轴加速度计。,图4 为隧道加速度计的概略图。控制电极通过静电作用使悬臂转向隧道位置(1 um，约20 V)。伺服机构控制隧道凸点与悬臂之间的间隙保持稳定，从而稳定隧道电流(约1nA)。当有加速度
3、时，电极间的电压就会发生变化。这种加速度计的分辨率可以达到10 9 g，但需要低频谐振质量元件和亚埃级分辨率的信号读取元件,谐振式MEMS加速度计,谐振式加速度计包括VBAs，既有平面式，也有垂向式。谐振加速度计通过检测质量元件加速运动时，谐振臂谐振频率的变化来测量加速度，而不是检测质量元件的位移。谐振频率的变化可以通过检测电容或者压电而得到。当存在大压力作用于平衡臂或者挠性物体时，通常选用压电谐振器。当挠性物体由于加速运动发生弯曲，也会引起谐振频率变化。,静电悬浮MEMS 加速度计,静电悬浮加速度计消除了需要弹性机械支持的限制。理论精度非常高。制造精度降低，可以更加灵活地调整加速度计的带宽和
4、灵敏度，且无需重新设计挠性部件。另外一个显著优点是可以敏感3 个轴向的加速度。主要障碍在于控制回路复杂,图6 为1.2 mg 的球形质量元件，内置电极直径为1 mm。球的位置通过检测电容获得，闭路静电力控制球的位置。MEMS 制造过程，球和外壳的距离通过在多晶硅的外壳内侧刻蚀而成。为达到太空中测量微重力的性能，静电悬浮加速度计的噪声水平必须优于40 g/槡Hz。,2.MEMS 陀螺,对于MEMS 惯性系统而言，获得精度合适的陀螺比加速度计更加困难。科里奥利效应是制造振动陀螺的理论基础。原理上，一个质量元件在平面内做正弦振动时，如果该平面同时以角速度 做旋转运动，则在科里奥利效应的作用下，质量元件将垂直于平面做正弦振动，振幅与 成正比关系。通过测量科里奥利效应作用下的运动计算角速度,MEMS 振动臂式(音叉式)陀螺,振动盘式MEMS 陀螺,环形谐振MEMS 陀螺,展 望,谢谢,
