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国内外MEMS惯性传感器研究成果对比及趋势分析


  来源: 计量测控 时间:2020-09-25 编辑:仪器仪表WXF
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美国斯坦福大学Thomas W.Kenny团队也利用多环环形陀螺电极摆放自由的优势,将电极安置在环与环之间,其优势在于相比于外环安置电极方法电极数量有成倍的增长。随着电极数量的增多,驱动电容量与检测电容量也随之增大,只需较低电压便可完成驱动与控制,同时也可提高检测灵敏度。在模态匹配工作模式下,标度为1.37 mV/((°)·s⁻¹) ,角度随机游走为0.29(°)/√h。为提升多环环形陀螺性能,此团队还采用了许多方法。例如为了提升谐振子的品质因数,降低振型位移的误差,在多环环形谐振子表面覆盖了薄薄的一层氧化物,使得谐振子的表面粗糙度降低了10倍,提升了谐振子几何参数的均匀性,品质因数提升了30%,艾伦方差零偏不稳定性为1.43(°)/h,角度随机游走为0.18(°)/√h。


2008年,喷气推进实验室(JPL)联合伯克利大学采用自动增益控制(AGC)驱动闭环和力平衡检测闭环方案,在FPGA平台上实现了对多环环形MEMS陀螺的控制。该方案可对环路中的FIR滤波器以及环路增益进行配置,以适应不同结构参数的陀螺和陀螺老化带来的参数变化问题,相对于模拟电路,更加灵活,零偏稳定性达到0.25(°)/h。


2014年,波音公司报道了一种包含驱动闭环、力平衡检测闭环与环境干扰补偿的多环环形MEMS陀螺。该陀螺利用半实物仿真工具实现了原型样机的快速设计。陀螺谐振子的直径为8 mm,品质因数为50000~100000,采用误差建模和补偿技术实现了0.01(°)/h的艾伦方差零偏不稳定性,0.0023(°)/√h的角度随机游走以及0.04(°)/h 的上电重复性,为当时报道过的MEMS陀螺的最高性能。


Sensonor公司的三轴陀螺仪STIM210,陀螺量程为±400(°)/s,全温零偏误差为10(°)/h,角度随机游走为0.15(°)/√h,如图3所示。另外,国外的VTI、ST和InvenSense等公司研制了三轴单芯片集成的MEMS陀螺产品,如图4所示。这些产品的误差多集中在零偏稳定性几十到几百度每小时以内,线性度0.1%以上,多用于手机、体感控制等消费类电子领域。



2018 年,在意大利召开的第五届惯性传感器与系统国际研讨会上,发布了很多关于MEMS加速度计和MEMS陀螺的最新进展,说明MEMS技术研究已成为惯性传感器领域不可忽略的重要组成部分。人工智能、自主导航等新兴技术给MEMS惯性传感器的发展带来了机遇,也让其面临着更多的挑战。


3、微惯性测量组合


微惯性测量组合(MIMU)是基于MEMS技术的新型惯性测量器件,用来测量物体的三轴角速度和三轴加速度信息,是实现微小型无人机、交通工具等导航制导的核心部件。


从20世纪90年代开始,美国军事部门就很重视MEMS惯性器件在武器制导领域的应用与发展。


DARPA资助了一系列旨在演示验证MEMS惯性器件应用于制导弹药(如炮弹、火箭弹等)领域的相关计划,研制的 MEMS 惯性制导系统体积不断减小、精度和集成度不断提升。


目前,国外微惯性测量组合MIMU的实现途径主要有两种,其中一种是将三个单轴加速度传感器和三个单轴陀螺仪通过立体组装到一起分别实现三个方向加速度信号和角速度信号的测量。主要的厂家包括美国Honeywell公司、美国UTC公司、挪威Sensonor公司等,都研制出了微惯性测量组合产品,并且在无人机、航空制导炸弹、精确制导导弹等为代表的战术武器中得到了工程验证和应用。


美国Honeywell公司在获得了Draper实验室振动陀螺和扭摆式加速度传感器的技术授权的基础上,制定了围绕MEMS惯性传感器展开小型化和超小型化IMU的发展计划,主要应用于武器系统制导中。其较成熟的产品包括精度较高的HG1900型MEMS惯性测量组合产品和HG1930抗高过载MEMS惯性测量组合产品,如图5所示。其中HG1930由三个MEMS加速度传感器和三个MEMS陀螺仪组装。三个加速度传感器和三个陀螺仪均为单轴模块,和电源模块与信号处理模块共同完成六轴测量。陀螺的量程最大可达7200(°)/h,零偏重复性20(°)/h,加速度传感器最大量程达到85g,零偏重复性5mg,整个系统功耗小于3W。



UTC公司的微惯性测量组合惯性系统SiIMU02如图6所示。系统中的集成式硅基MEMS陀螺零偏不稳定性6.5(°)/h,角度随机游走0.5(°)/√h,该产品已经广泛应用于各类制导炮弹、制导火箭弹中。



关键词:MEMS惯性传感器 研究成果 对比    浏览量:23506

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