1、MEMSMEMS慣性導(dǎo)航傳感器慣性導(dǎo)航傳感器背景背景 對(duì)大多數(shù)導(dǎo)航應(yīng)用而言，精度并不是最重要的因素，在滿足精度的前提下，盡可能降低成本、縮小體積才最重要。MEMS慣性傳感器在民用市場已得到廣泛應(yīng)用，在戰(zhàn)術(shù)級(jí)的導(dǎo)航中也開始逐漸應(yīng)用，這主要受益于利用科里奧利效應(yīng)制造的各種類型的MEMS 陀螺。目前還沒有達(dá)到戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用的環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺的精度水平，但MEMS 慣性傳感器深具潛力。1.1.位移式位移式MEMSMEMS加速度計(jì)加速度計(jì) 圖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)。通過檢測位于絕緣襯底上2 個(gè)電極間電容的

2、變化即可檢測加速度。在1g 加速度作用下，質(zhì)量元件轉(zhuǎn)動(dòng)角度約為70 rad，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 g 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3 為典型平面式位移加速度計(jì)，通過檢測梳狀手指間的電容變化測量質(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)。 圖4 為隧道加速度計(jì)的概略圖。控制電極通過靜電作用使懸臂轉(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

3、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 9 g，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)通過檢測質(zhì)量元件加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，諧振臂諧振頻率的變化來測量加速度，而不是檢測質(zhì)量元件的位移。諧振頻率的變化可以通過檢測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。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。

4、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 圖6 為1. 2 mg 的球形質(zhì)量元件，內(nèi)置電極直徑為1 mm。球的位置通過檢測電容獲得，閉路靜電力控制球的位置。MEMS 制造過程，球和外殼的距離通過在多晶硅的外殼內(nèi)側(cè)刻蝕而成。為達(dá)到太空中測量微重力的性能，靜電懸浮加速度計(jì)的噪聲水平必須優(yōu)于40 g /槡Hz。2.MEMS 2.MEMS 陀螺陀螺 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。科里奧利效應(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 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 成正比關(guān)系。通過測量科里奧利效應(yīng)作用下的運(yùn)動(dòng)計(jì)算角速度