微机械陀螺仪 李思卿.doc

微机械陀螺仪陀螺仪的发展大致经历了下列几个过程:从20世纪50年代的液浮陀螺仪到70年代的动力调谐陀螺仪(又称挠性陀螺仪,DTG),从20世纪80年代的环形激光陀螺仪(RLG)、光纤陀螺仪(FOG)到90年代的振动陀螺仪以及目前研究报导较多的微机械电子系统陀螺仪(简称微机械陀螺仪,MEMSG)。微机械陀螺仪在军事领域方面的应用尤为重要,如利用电子隧穿技术制造的微加速度计重6g,灵敏度10-7g,完全能满足导航的要求;最近研制出的振动式微机械陀螺仪重100mg,×l+×,偏置稳定度为l~10(。)h,功耗不到1w。由微机械陀螺仪和微加速度计组成的微型惯性测量组合(MIMu),没有转动的部件,在寿命、可靠性、成本、体积和重量等方面都大于常规的惯性仪表。微机械陀螺仪是基于微机械加工制造技术产生的高技术产品,是当代微机械电子系统(MEMS)领域和惯性领域新兴的十分重要的分支,而MEMS及其制造技术是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,它涉及电子工程、机械工程材料科学、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和学科。它是未来低成本、中精度、微尺寸、低功耗、抗高过载、高可靠性惯性测量元件的发展方向。它不仅可用于炮射导弹、炮弹、末敏弹药的惯性导航系统和姿态测量系统等军事领域,同时还可以用于卫星、飞机、汽车、工业机器人、摄影、玩具、医疗器械的方向定位和姿态测量等民用商业领域。开展这一领域的研究工作,可以加速和促进我国对新型惯性测量元件的应用,这在高新技术日益发展的今天有十分重要的研究意义。微机械陀螺仪属于微电子机械范畴,是一种振动式角速率传感器,它按所用材料分为石英和硅振动粱两类。石英材料结构的品质因数Q值很高,陀螺仪特性最好,且有实用价值,是最早商品化的;但石英材料加工难度大,成本很高。而硅材料结构完整,弹性好,比较容易得到高Q值的硅微机械结构。随着深反应离子刻蚀技术(DRIE)的出现,体硅微机械加工技术的加工精度显著提高,在硅衬底上用多晶硅制作不仅适宜批量生产,而且驱动和检测较为方便,成为当前低成本研发的主流。微机械陀螺仪根据驱动与检测方式分为四种:①静电驱动,电容检测;②电磁驱动,电容检测;③电磁驱动,压阻检测;④压电驱动,电容检测。其中静电驱动、电容检测的陀螺仪设计最为常见,并已有部分产品已研制成功。就目前已研制成功的微机械陀螺仪来说,其结构有以下两种:①音叉式结构,它利刚线振动来产生陀螺效应:②双框架结构,它利用角振动来产生陀螺效应。双框架角振动微机械陀螺仪研制较早,虽制作工艺简单,但音义式线振动微机械陀螺仪的灵敏度优于双框架角振动微机械陀螺仪。微机械陀螺仪的原理微机械陀螺仪利用了哥氏力现象,其原理如图1所示。当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时,并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动,就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力,其矢量可按下式计算。式中:F(t)是哥氏力,m是该物体的质量,ΩZ是坐标系旋转的角速度,是该物体的矢量速度。微机械陀螺仪的主要参数微机械陀螺仪的重要参数包括:分辨率(Resolution)、零角速度输出、灵敏度(Sensitivity)和测量范围,这些参数是评判微机械陀螺仪性能的重要标志,同时也决定了该陀螺仪的应用环境。分辨率是指陀螺仪能够检测的最小的角速度,该参