周紅進(jìn)，鐘云海，易成濤

(海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連 116018)

0 引言

近年來(lái)，在慣性傳感器領(lǐng)域，3種主要的技術(shù)在不斷提升軍用和民用能力:環(huán)形激光陀螺(RLGs)，光纖陀螺(FOGs)以及 MEMS(Micro Electro Mechanical System)陀螺和加速度計(jì)。應(yīng)用這些技術(shù)制造的陀螺和加速度計(jì)已經(jīng)取代了除高精度應(yīng)用領(lǐng)域之外幾乎所有的機(jī)械陀螺和加速度計(jì)。RLGs具有超高的標(biāo)度因素穩(wěn)定性和對(duì)重力不敏感，在許多軍用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。FOGs作為RLGs一種成本低廉的替代品也逐漸滲透進(jìn)RLGs的應(yīng)用領(lǐng)域。MEMS慣性傳感器對(duì)于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的小型化具有關(guān)鍵意義。MEMS創(chuàng)造了慣性導(dǎo)航應(yīng)用的新市場(chǎng)，如戰(zhàn)術(shù)級(jí)別的制導(dǎo)彈藥以及可以與GPS芯片進(jìn)行組合導(dǎo)航的個(gè)人導(dǎo)航儀。圖1所示為近100年來(lái)慣性技術(shù)的發(fā)展情況。慣性傳感器應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，不同級(jí)別的應(yīng)用精度要求也不一樣。不同級(jí)別的應(yīng)用對(duì)應(yīng)的精度要求如表1所示。在實(shí)際應(yīng)用中，還有其他一些重要指標(biāo)，如噪聲(隨機(jī)游走)也需要加以考慮。

MEMS具有體積小、成本低廉等潛力，吸引了全世界的科研人員致力于發(fā)展民用和戰(zhàn)術(shù)級(jí)別的MEMS導(dǎo)航系統(tǒng)。當(dāng)前已經(jīng)實(shí)用的最好MEMS IMU陀螺漂移約為5～20°/h，加速度計(jì)零偏約為1 mg，但還未真正達(dá)到戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的精度。MEMS IMU將逐漸滲透進(jìn)FOGs和RLGs占據(jù)統(tǒng)治地位的戰(zhàn)術(shù)級(jí)別的應(yīng)用市場(chǎng)，并將開(kāi)辟新的需要更小體積和更低成本的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1 慣性技術(shù)發(fā)展歷史Fig.1 Inertial technology insertion history

表1 慣性傳感器應(yīng)用級(jí)別Tab.1 Inertial sensor application grades

現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)提供民用級(jí)的MEMS，其中很多可以與GPS進(jìn)行組合導(dǎo)航。也有很少一部分接近戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用的全 MEMS IMUs(Honeywell，Atlantic Inertial Systems(前身為BAE)，Northrop Grumman/LITEF公司都在生產(chǎn))。近幾年，民用級(jí)的MEMS系統(tǒng)角速度敏感精度為1°/h，加速度敏感精度為幾百μg，但還沒(méi)有產(chǎn)品化。一旦產(chǎn)品化，在不遠(yuǎn)的將來(lái)MEMS將會(huì)在戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域占領(lǐng)RLGs和IFOGs的市場(chǎng)。

1 MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)通過(guò)2種方式敏感加速度:1)檢測(cè)鉸接或者撓性安裝的元件質(zhì)量在加速度作用下引起的電容或者壓電變化;2)由于加速運(yùn)動(dòng)引起振動(dòng)元件張力變化，導(dǎo)致振動(dòng)元件振動(dòng)頻率變化，通過(guò)檢測(cè)頻率變化檢測(cè)加速度。前者包括擺式或橫向加速度計(jì)，后者包括諧振加速度計(jì)或振動(dòng)橫梁式加速度計(jì) (Vibrating Beam Accelerometer，VBA)。MEMS擺式加速度計(jì)廣泛應(yīng)用在戰(zhàn)術(shù)級(jí)到導(dǎo)航級(jí)的領(lǐng)域。VBA或諧振加速度計(jì)有潛力應(yīng)用在更高領(lǐng)域。

1.1 位移式MEMS加速度計(jì)

圖2為典型的垂向位移式MEMS加速度計(jì)，鉸接的擺式質(zhì)量元件懸掛在玻璃襯底的撓性彈簧上，當(dāng)有加速度時(shí)，該元件可垂直于平面轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)檢測(cè)位于絕緣襯底上2個(gè)電極間電容的變化即可檢測(cè)加速度。在1g加速度作用下，質(zhì)量元件轉(zhuǎn)動(dòng)角度約為70 μrad，也就是電極間距離發(fā)生3×10－8m的變化，電容變化為12fF(10－15F變化)。對(duì)于100 μg～15 g動(dòng)態(tài)范圍，要求電極間距離變化分辨率達(dá)到3×10－12m，或者22.5個(gè)電子充電的變化。

圖2 下擺式MEMS加速度計(jì)Fig.2 MEMS Pendulous Accelerometer

Northrop Grumman公司制造的SiACTM就是這種加速度計(jì)的代表，Northrop Grumman公司已經(jīng)制造了20000個(gè)，發(fā)展了戰(zhàn)術(shù)和導(dǎo)航2種級(jí)別，而且已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，如AMRAAM，GMLRS，以及指揮直升機(jī)。Honeywell公司、瑞士 Colibrys公司、MEMS應(yīng)用公司、SiliconDesign公司、英國(guó)Sherborne傳感器公司和德國(guó)Bosch公司等公司都生產(chǎn)類似產(chǎn)品。

圖3為典型平面式位移加速度計(jì)，通過(guò)檢測(cè)梳狀手指間的電容變化測(cè)量質(zhì)量元件的位移。這種加速度計(jì)對(duì)平面 (橫向)方向的加速度比對(duì)垂向的加速度更加敏感。垂向和橫向的加速度計(jì)可以組合成三軸加速度計(jì)。

AnalogDevice公司生產(chǎn)的 ADXL150和ADXL250加速度計(jì)是平面位移式加速度計(jì)的典型代表。ADXL250可以測(cè)量2個(gè)方向的加速度，噪聲水平為，精度為10 ～50 mg。

圖3 平面位移式加速度計(jì)Fig.3 In-plane accelerometer

位移加速度計(jì)可以在開(kāi)環(huán)或閉環(huán)模式中工作。Colibrys公司［1］已經(jīng)報(bào)告了高性能的RS9000系列加速度計(jì)，該系列加速度計(jì)工作在開(kāi)環(huán)模式，既有平面式，也有垂向式。2種全部由硅制造而成，垂向式在上下2個(gè)電極之間懸掛了1個(gè)質(zhì)量元件。工作零偏穩(wěn)定性約為120 μg，零偏重復(fù)性為1 mg，標(biāo)度因數(shù)精度為400 ppm，校正精度為65 μg/g2。1個(gè)溫度傳感器和特殊應(yīng)用集成電路集成在傳感器內(nèi)，在線完成4階溫度補(bǔ)償。Colibrys公司［2］還展示了采用σ－δ 5階補(bǔ)償?shù)耐惣铀俣扔?jì)，經(jīng)過(guò)σ－δ 5階補(bǔ)償后，其輸出線性度得到顯著提高，并大大減小振動(dòng)誤差。

Hughes Research實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)以及其他機(jī)構(gòu)發(fā)展的隧道加速度計(jì)是垂向位移式加速度計(jì)的一種，這種加速度計(jì)具有超高的靈敏度。圖4為隧道加速度計(jì)的概略圖。

圖4 MEMS隧道加速度計(jì)Fig.4 MEMS Tunneling Accelerometer

控制電極通過(guò)靜電作用使懸臂轉(zhuǎn)向隧道位置(＜1 um，約20 V)。伺服機(jī)構(gòu)控制隧道凸點(diǎn)與懸臂之間的間隙保持穩(wěn)定，從而穩(wěn)定隧道電流(約1nA)。當(dāng)有加速度時(shí)，電極間的電壓就會(huì)發(fā)生變化。這種加速度計(jì)的分辨率可以達(dá)到10－9g，但需要低頻諧振質(zhì)量元件和亞埃級(jí)分辨率的信號(hào)讀取元件。最新制造的隧道加速度計(jì)分辨率達(dá)到了20 ng/，工作頻率為 5 Hz～1.5 kHz［3］，其閉環(huán)動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)90 dB。但是，在未經(jīng)環(huán)路改進(jìn)的情況下，大加速度敏感能力還是較低 (約1mg)。中國(guó)發(fā)展的隧道加速度計(jì)［4］在1～100 Hz的工作頻率下，分辨率達(dá)到

1.2 諧振式MEMS加速度計(jì)

諧振式加速度計(jì)包括VBAs，既有平面式，也有垂向式。諧振加速度計(jì)通過(guò)檢測(cè)質(zhì)量元件加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，諧振臂諧振頻率的變化來(lái)測(cè)量加速度，而不是檢測(cè)質(zhì)量元件的位移。諧振頻率的變化可以通過(guò)檢測(cè)電容或者壓電而得到。當(dāng)存在大壓力作用于平衡臂或者撓性物體時(shí)，通常選用壓電諧振器。當(dāng)撓性物體由于加速運(yùn)動(dòng)發(fā)生彎曲，也會(huì)引起諧振頻率變化。一些壓電諧振加速度計(jì)包括:美國(guó)Systron Donner公司的諧振石英加速度計(jì) (VQA);Kearfott公司的硅微振臂式加速度計(jì);Honeywell公司的SiMMA加速度計(jì);Onera公司的差分慣性振動(dòng)加速度計(jì)。Onera公司的差分慣性振動(dòng)加速度計(jì)的設(shè)計(jì)很巧妙，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械隔離系統(tǒng)，將振臂和安裝基座隔離，從而保護(hù)活動(dòng)部件不受熱壓力影響，這個(gè)熱壓力是由于石英和相關(guān)材料熱擴(kuò)展效應(yīng)不同而引起［5］。Onera的差分慣性振動(dòng)加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性大約為100 μg。

目前2種最高精度的MEMS加速度計(jì)均為MEMS諧振加速度計(jì):Draper實(shí)驗(yàn)室的硅擺動(dòng)加速度 計(jì) (silicon oscillate accelerometer，SOA)和Honeywell的諧振臂式加速度計(jì) (SRBA)。SOA通過(guò)檢測(cè)電容測(cè)量頻率變化，在封閉實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，其精度達(dá)到1 μg，標(biāo)度因素穩(wěn)定度達(dá)到1 ppm［6］，速度隨機(jī)游走 (－0.5斜坡)為加速度計(jì)尺寸約1立方英寸。SRBA通過(guò)高純度的單晶石英材料的壓電效應(yīng)讀取頻率變化［7］。

1.3 靜電懸浮MEMS加速度計(jì)

靜電懸浮加速度計(jì)消除了需要彈性機(jī)械支持的限制。理論精度非常高。制造精度降低，可以更加靈活地調(diào)整加速度計(jì)的帶寬和靈敏度，且無(wú)需重新設(shè)計(jì)撓性部件。另外一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可以敏感3個(gè)軸向的加速度。主要障礙在于控制回路復(fù)雜。

發(fā)展懸浮技術(shù)的研究機(jī)構(gòu)包括英國(guó)大學(xué)、伯克利傳感器和執(zhí)行器中心。圖5為南安普敦大學(xué)研制的圓盤(pán)懸浮裝置，其中圓盤(pán)位移通過(guò)檢測(cè)電容和閉路靜電力獲得［8］。Ball半導(dǎo)體、Tokinec公司和Tokohu大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種懸浮球體。圖6為1.2 mg的球形質(zhì)量元件，內(nèi)置電極直徑為1 mm。球的位置通過(guò)檢測(cè)電容獲得，閉路靜電力控制球的位置。在MEMS制造過(guò)程，球和外殼的距離通過(guò)在多晶硅的外殼內(nèi)側(cè)刻蝕而成。為達(dá)到太空中測(cè)量微重力的性能，靜電懸浮加速度計(jì)的噪聲水平必須優(yōu)于

圖5 靜電懸浮圓盤(pán)裝置Fig.5 Levitated disk

圖6 靜電懸浮球Fig.6 Levitated 1 mm dia.sphere

2 MEMS陀螺

對(duì)于MEMS慣性系統(tǒng)而言，獲得精度合適的陀螺比加速度計(jì)更加困難?？评飱W利效應(yīng)是制造振動(dòng)陀螺的理論基礎(chǔ)。原理上，一個(gè)質(zhì)量元件在平面內(nèi)做正弦振動(dòng)時(shí)，如果該平面同時(shí)以角速度Ω做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則在科里奧利效應(yīng)的作用下，質(zhì)量元件將垂直于平面做正弦振動(dòng)，振幅與Ω成正比關(guān)系。通過(guò)測(cè)量科里奧利效應(yīng)作用下的運(yùn)動(dòng)計(jì)算角速度Ω。所有的石英和硅制造科里奧利振動(dòng)陀螺儀(Coriolis Vibratory Gyros，CVG)都是基于這個(gè)原理?；旧纤械腗EMS CVG可以分為振動(dòng)臂式、振動(dòng)盤(pán)式和環(huán)形諧振框式3類。全世界已經(jīng)有大量使用和正在發(fā)展的 MEMS CVG［9－13］。MEMS IMUs 的性能主要受限于陀螺的性能，目前MEMS陀螺的靈敏度為5～30 °/h。

2.1 MEMS振動(dòng)臂式 (音叉式)陀螺

1990年，Systron Donner公司開(kāi)始為美國(guó)空軍“小?！睂?dǎo)彈制造18000只石英速率陀螺，期限2年。1990年中期，新的技術(shù)用來(lái)大批量生產(chǎn)低成本的偏航角速率傳感器，這些傳感器最早于1997年應(yīng)用在凱迪拉克汽車上。圖7為Systron Donner公司最為知名的H形石英壓電陀螺。這種陀螺為平面陀螺，敏感圓盤(pán)上的音叉角速度。到2008年，每天可以制造的這種陀螺超過(guò)40000只。后來(lái)還發(fā)展了應(yīng)用在智能彈藥上的高－g陀螺。一個(gè)6自由度的IMU，包含3個(gè)陀螺和3個(gè)振動(dòng)加速度計(jì)，大約1992年或稍晚，數(shù)字石英IMU(Digital Quartz IMU)誕生。DQI被嵌入到 Rockwell的 C－MIGITS中［14］，Systron Donner公司擁有制造權(quán)。

圖7 Systron Donner公司生產(chǎn)的H形石英壓電陀螺Fig.7 Systron Donner quartz rate sensor

Onera公司的振動(dòng)積分陀螺 (Vibrating Integrated Gyro，VIG)為振動(dòng)系統(tǒng)采取了特殊的隔離裝置 (如同DIVA加速度計(jì)一樣)，以減少結(jié)構(gòu)外的能量損耗。100 Hz帶寬下，輸出噪聲為0.01°/s/Sagem公司的Quapason陀螺有4個(gè)凸尖伸出基座，以減少輸入到輸出的交叉耦合信號(hào)。

2.2 振動(dòng)盤(pán)式MEMS陀螺

圖8為Draper實(shí)驗(yàn)室研制的音叉－2形陀螺(Tuning Fork Gyro－2，TFG－2)，包含2個(gè)平面狀硅質(zhì)元件，這2個(gè)平面狀硅質(zhì)元件通過(guò)折疊臂懸掛在玻璃襯底上，可以在平面內(nèi)做180°振動(dòng)。尺寸在300×400 μm量級(jí)上。由于科里奧利作用力引起的平面外的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)檢測(cè)質(zhì)量元件和襯底之間的電容變化得到，這種MEMS陀螺的一個(gè)典型性能指標(biāo)是:平面內(nèi)1 rad/s的輸入角速度引起作用在質(zhì)量元件上的力大約為9×10－8N，在垂直于電極方向最大有1×10－9m的峰值位移，3 aF(10－18F)的電容變化。1°/h的角速度分辨率需要能夠檢測(cè)出5×10－15m的位移和大約每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期0.25電子的電量變化。Draper實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將這種技術(shù)轉(zhuǎn)讓給Honeywell公司。性能測(cè)試數(shù)據(jù)表明最近的TFG的敏感范圍在3～50°/h(3σ補(bǔ)償)，工作溫度范圍為－40℃ ～85℃，振動(dòng)輸入可到12000 g。這些性能已經(jīng)在增程制導(dǎo)彈藥和所有的抗擊彈藥高級(jí)技術(shù)制導(dǎo)炮彈中得到驗(yàn)證［15］。Draper/Honeywell TFG系列陀螺設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，這種陀螺可以應(yīng)用在高－g場(chǎng)合，而且性能在不斷增強(qiáng)，制造技術(shù)也在提高。振動(dòng)平面技術(shù)已經(jīng)在Honeywell的HG1900，1930，1940 IMUs中得到應(yīng)用，1940 IMUs尺寸為2立方英寸。

圖8 Draper實(shí)驗(yàn)室研制的音叉－2形陀螺Fig.8 Top view of MEMS vibrating plate gyroscope

許多平面振動(dòng)式陀螺都是梳狀驅(qū)動(dòng)的，這種梳狀驅(qū)動(dòng)裝置由加利福利亞大學(xué)伯克利分校發(fā)明。梳狀驅(qū)動(dòng)裝置采用多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以減少敏感元件與驅(qū)動(dòng)之間的耦合效應(yīng)，如平面式、垂向式及振動(dòng)圓盤(pán)式。研究表明性能最好的厚度在50～100 μm之間。MEMS制造上的瑕疵很容易導(dǎo)致不必要的性能誤差，因此關(guān)鍵在于制造技術(shù)的進(jìn)步，且設(shè)計(jì)對(duì)制造工藝要求不是那么苛刻的MEMS陀螺，從而提高性能，降低成本。Analog Device公司已經(jīng)制造出民用的ADXRS陀螺，其敏感軸和驅(qū)動(dòng)軸都平行于襯底，這種陀螺可以工作在氣體環(huán)境中，但性能則有限。

另外一些不依賴梳狀驅(qū)動(dòng)的平面振動(dòng)式MEMS陀螺也在發(fā)展中。這種設(shè)計(jì)不要求梳齒間具有很窄的間隙和很高的制造精度。JPL實(shí)驗(yàn)室的MEMS陀螺［16］，采用2自由度的4片三葉草形狀元件懸掛在4個(gè)彈簧上，包括1個(gè)垂直的柱狀質(zhì)量元件，通過(guò)繞位于三葉草葉片平面內(nèi)的一根軸做搖擺運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。這是一種垂向式陀螺 (即測(cè)量的是垂直于三葉草頁(yè)面的軸向角速度)。日本正在發(fā)展一種雙萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)和敏感電磁感應(yīng)的MEMS陀螺［17］。挪威Sensnor公司正在發(fā)展SAR500型高精度MEMS蝴蝶陀螺，其設(shè)計(jì)性能為:ARW為零偏穩(wěn)定性為 0.04°/h，零偏重復(fù)性為 0.1°/h［18］。SAR500陀螺的敏感軸位于上下兩層敏感平面內(nèi)，這種設(shè)計(jì)可以提高靈敏度，還可以調(diào)節(jié)敏感元件和驅(qū)動(dòng)之間的諧振，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)積分補(bǔ)償。

2.3 環(huán)形諧振MEMS陀螺

環(huán)形諧振MEMS陀螺有一個(gè)優(yōu)點(diǎn):環(huán)形結(jié)構(gòu)吸收了平面內(nèi)全部敏感和驅(qū)動(dòng)振動(dòng)能量。但也存在一個(gè)缺點(diǎn):環(huán)內(nèi)振動(dòng)質(zhì)量低，因此標(biāo)度因素小。圖9是一個(gè)由密歇根大學(xué)研制的單晶硅環(huán)形振動(dòng)陀螺［19］。環(huán)振動(dòng)頻率為27 kHz，直徑為2.7 mm，寬50 μm，寬150 μm。環(huán)由靜電力驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，靜電力通過(guò)平面內(nèi)的電極施加，振動(dòng)軌跡為橢圓形，是第一撓性模式振動(dòng)。Z軸方向的角速度引發(fā)科里奧利效應(yīng)，這將使能量從第一撓性模式轉(zhuǎn)換到第二撓性模式，模式角為45°。第二撓性模式振動(dòng)幅值通過(guò)檢測(cè)電容得到。由于制造誤差引起的頻率失調(diào)可以通過(guò)平衡電極進(jìn)行電子化補(bǔ)償。這種陀螺的標(biāo)度因素為132 mv/deg/s，分辨率為7.2°/h，輸出噪聲為10.4°/h/Hz0.5。

圖9 密歇根大學(xué)研制的單晶硅環(huán)形振動(dòng)陀螺Fig.9 U.Michigan vrating rng groscope

BAE公司發(fā)展了一種環(huán)形諧振器的硅振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺，環(huán)形諧振器由兼容輻條支撐。諧振器環(huán)的科里奧利運(yùn)動(dòng)通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化得到，環(huán)中間安裝了一個(gè)磁鐵。這種感應(yīng)式諧振環(huán)形陀螺［20］成功應(yīng)用在姿態(tài)參考系統(tǒng)中，用來(lái)控制制造標(biāo)準(zhǔn)、中程反坦克制導(dǎo)導(dǎo)彈，以及其他軍事系統(tǒng)。一種全硅電容式振動(dòng)環(huán)形陀螺也在發(fā)展中。BAE公司的諧振環(huán)形陀螺技術(shù)經(jīng)由大西洋慣性系統(tǒng)公司 (Atlantic Inertial Systems，AIS)授權(quán)，成功應(yīng)用在 SiIMU02和SiNAV IMUs中。AIS聯(lián)合日本Sumitomo制造公司生產(chǎn)的硅傳感系列陀螺，以每個(gè)月幾千只的速度生產(chǎn)民用級(jí)別的環(huán)形諧振陀螺。DMU02這種6自由度動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置已經(jīng)應(yīng)用在賽格威的載人運(yùn)輸機(jī)，在CRS09的穩(wěn)定系統(tǒng)中取代了FOG，也可以與GPS進(jìn)行組合導(dǎo)航。

2.4 其他非傳統(tǒng)MEMS陀螺

有跡象表明，傳統(tǒng)的CVG陀螺難以超過(guò)戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用精度，因此科研人員正在研究其他的傳感技術(shù)。其中之一就是Draper實(shí)驗(yàn)室于2004年開(kāi)始研究的導(dǎo)航級(jí)積分微陀螺 (navigation grade integrated micro Gyro，NGIMG)。NGIMG將設(shè)計(jì)成芯片式的陀螺，ARW為0.001°/h，零偏穩(wěn)定性為0.01°/h，標(biāo)度因素穩(wěn)定性優(yōu)于50 ppm，帶寬為300 Hz，功耗小于5 mW。早期選用了懸浮轉(zhuǎn)子技術(shù)、微核磁共振技術(shù)和石英圓盤(pán)諧振技術(shù)等。

Draper實(shí)驗(yàn)室的另外一項(xiàng)創(chuàng)造是微標(biāo)度速率積分陀螺 (microscale rate integrating gyro，MRIG)，這項(xiàng)研究始于2009年。這項(xiàng)技術(shù)將克服當(dāng)前MEMS陀螺只能提供角速度而不能提供角度的限制。雖然MRIG已經(jīng)完成概念設(shè)計(jì)，但是這項(xiàng)創(chuàng)造需要理論科學(xué)、制造、元件和系統(tǒng)方面的技術(shù)革命，這些技術(shù)革命還不包括現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)步。歐洲空間局資助了BAE公司、德國(guó)Bosch公司、EADS CRC公司、LITEF公司、法國(guó)Sagem公司、挪威SensoNor公司及法國(guó)Thales等公司進(jìn)行市場(chǎng)和可行性研究，其目標(biāo)是研制零偏穩(wěn)定性為0.1°/h的MEMS陀螺。能大量生產(chǎn)優(yōu)于戰(zhàn)術(shù)級(jí)精度的MEMS陀螺還需要許多年。

2.5 多軸陀螺及加速度計(jì)芯片

將平面式傳感器和垂向式傳感器集成到1塊芯片上是進(jìn)一步減小體積的一個(gè)研究方向。利用這種芯片式傳感器，IMU的尺寸可以控制在0.2立方英寸內(nèi)。這種IMU可以應(yīng)用于個(gè)人導(dǎo)航和制導(dǎo)子彈。芯片式傳感器將促進(jìn)體積減小和成本的降低。

3 展望

慣性傳感器技術(shù)成熟度如圖10所示。圖中右下角顯示的是高成熟度的技術(shù)。從圖中可以看出，沒(méi)有新的傳感器技術(shù)出現(xiàn)在接近水平面位置，對(duì)于傳感器設(shè)計(jì)者而言下一步在哪?那就是小型化、低成本。因此未來(lái)數(shù)年將持續(xù)進(jìn)行MEMS傳感器小型化和性能提升。圖11展示了慣性傳感器技術(shù)將來(lái)可能應(yīng)用的領(lǐng)域。

圖10 慣性傳感器技術(shù)成熟度Fig.10 Inertial sensor technology maturity

圖11 慣性傳感器技術(shù)將來(lái)可能應(yīng)用的領(lǐng)域Fig.11 Future applications for inertial sensor technology

從圖10可以看出，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，F(xiàn)OGs將滲透進(jìn)傳統(tǒng)上由RLGs占領(lǐng)的領(lǐng)域。然而，分辨率為1°/h的2立方英寸的MEMS IMU的持續(xù)發(fā)展最終將占領(lǐng)戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域80%的份額，并向?qū)Ш郊?jí)應(yīng)用領(lǐng)域滲透。

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