现代导航技术第七章(MEMS陀螺)

1现代导航测试技术MeasuringandTestingTechniqueforModernNavigationSystem主讲：赖际舟副教授南京航空航天大学导航研究中心办公电话：办公电话：025025--8489230484892304--807807手机：手机：1385147542913851475429导航研究中心网页：导航研究中心网页：：：[e-mail]@nuaa.edu.cn2§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理第七章MEMS陀螺仪§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述3第七章MEMS陀螺仪§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述4§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述对传统惯性仪表的设计和制造，在价值工程和自动化等方面付出了许多努力，并取得了显著成功，但成本仍然很高，主要原因是:(1)零件数量多;(2)许多零件要求高精度公差;(3)复杂和精密的装配技术;(4)精确的测试、特性表征和标定。一、MEMS技术发展的需求背景5§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述需要用低成本敏感器测量加速度和角运动的应用需求，极大地刺激了微型加工机电系统敏感器(简称微型敏感器)的发展。微型器件是过去25年惯性敏感器最可喜的发展之一。这些器件克服了阻碍着许多潜在应用中采用惯性系统的众多障碍，尤其是成本、尺寸和功耗在成为制约因素的应用场合。一、MEMS技术发展的需求背景6§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述MEMS（MicroElectro-MechanicalSystems）1980年代中后期以来，随着微电子、精细加工等技术和制造工艺的成熟，MEMS技术得到了快速的发展。MEMS技术的发展直接推动着微型传感器的产生、发展和应用。采用MEMS技术的惯性传感器——微加速度计和微陀螺是一类重要的应用广泛的微传感器，直接促进惯性导航系统向微小型化发展。二、什么是MEMS技术？7§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述与传统的机械式惯性器件相比，MEMS惯性传感器是一种固态的惯性器件。具有以下优点：二、什么是MEMS技术？(1)尺寸小;(2)质量轻;(3)结构牢固;(4)功耗低;(5)启动时间短;(6)生产成本低廉(大批量时);(7)可靠性高;(8)维护量少;(9)适于在恶劣环境中使用。MEMS惯性传感器采用腐蚀、光刻等集成电路的制造工艺，在硅、石英等晶片上直接加工出感应部件和专用集成电路。8§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述用硅制造敏感元件是很有吸引力的，因为采用半导体电子工业芯片加工技术是一条降低成本的成熟思路。该工业已找到了高产出、大批量生产精密廉价元件十分健全有效的方法。结晶硅的机械性能很有趣：（1）它的断裂极限为7GPa，这超过了许多合金钢；（2）其密度又比较低，仅为2390kg/m3。因此用于这种用途时结晶硅很坚固、重量轻。三、硅加工的特点9§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述过去三四十年内，出现和完善了许多制造技术。主要集中在快速准确的蚀刻方法，而不用锯、劈和锉等机械方法。现代方法使元件表面平整无下凹。高效率的化学“加工”方法很有吸引力，可快速生产无应力元件，而且这种技术能够生产公差极小、相同尺寸和特性的多种元件。三、硅加工的特点10§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述硅加工有可能将制造过程简化为三层掩膜。例如，100μm芯片具有第一层掩膜图形的沉积氧化物层和第二层掩膜图形的溅附沉积金属层，最后再旋压上具有第三层掩膜图形的光刻胶，以便经深槽蚀刻技术形成谐振器结构形状。蚀刻处理后，去掉光刻胶，留下谐振器芯片。谐振器硅片被黏结到预先成形的玻璃芯片上，再切割成小块得到单个的敏感元件。三、硅加工的特点11§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述硅的高精度复现元件的特性是将这种敏感器工艺从研究器件向实用的批量生产敏感器转变的关键突破。但是减小敏感元件的尺寸加大了获得良好测量性能和高分辨力的难度。一般来说，尺寸的减小导致灵敏度/标度因数的降低和噪声的增大。此外，还有热敏感度问题，例如，硅的弹性模量随温度的变化大约是10-4/℃。因此，精度的提高和环境影响是MEMS惯性敏感器需要重点考虑的因素。四、MEMS惯性敏感器的特点及发展12§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述微型敏感器的最初发展主要是为了生产小型加速度计，对其系统和性能的要求是汽车工业提出的。结果是微型加速度计技术最先达到成熟水平，相当数量的敏感器已获商业应用。与之相反，类似的角度测量敏感器的发展缺少激励，因而最初此类器件的商业应用出现得很缓慢。后来微型陀螺敏感器的研制已成为欧洲和美国工业和研究机构重点探索和发展的课题，近年来低成本但性能较低的敏感器的广泛应用达到了顶峰。四、MEMS惯性敏感器的特点及发展MEMS惯性敏感器的发展13§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述四、MEMS惯性敏感器的特点及发展MEMS陀螺、MEMS加速度计在汽车工业中的应用14§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述四、MEMS惯性敏感器的特点及发展2002年开始进入市场的Segway两轮车15§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述四、MEMS惯性敏感器的特点及发展16§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述四、MEMS惯性敏感器的特点及发展微型飞行器：最大尺寸不超过15厘米，续航时间20～60分钟，航程达到10公里以上，飞行速度22～45公里/小时,可以携带有效载荷，完成一定任务的飞行器。MEMS惯性敏感器在微型飞行器中的应用17§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述四、MEMS惯性敏感器的特点及发展AR.Drone直升机（2011年投入市场）AR.Drone，拥有四个独立螺旋桨，用户可以使用iPhone、iPodTouch手机对其进行飞行控制操作。这款飞行器的下方还加装有重力感应装置、陀螺仪、机械控制芯片等部件，利用智能飞行技术可以纠正风力和其他环境误差。MEMS惯性敏感器在微型飞行器中的应用配备微机电系统Mems的惯性制导系统:3轴加速计2轴陀螺测速仪1轴精密偏航陀螺测速仪18§§7.1MEMS7.1MEMS技术概述技术概述过去和今后的MEMS技术研究工作一直集中在两个方面:一是器件的物理性质;二是批处理技术的优化，以满足大批量生产和低费效比制造的需求。性能分别接近1°/h和50ug~100ug的低成本微型陀螺和加速度计可望在今后几年内进入实际应用。对MEMS敏感器呈现出的系统误差进行实时深度综合补偿，在深入认识各类敏感器误差机理和特性的基础上进行，且这种补偿必须实现在惯性测量装置级补偿中。四、MEMS惯性敏感器的特点及发展MEMS惯性敏感器的发展19第七章MEMS陀螺仪§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理20§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理也称科氏加速度，是由科里奥利(G.G.Coriolis)于1835年首先提出的。哥氏加速度是动基的转动与动点相对运动相互耦合引起的加速度。哥氏加速度是由于质点不仅作圆周运动，而且也做径向运动或周向运动所产生的。其方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量。一、哥氏加速度21§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理微型陀螺是非旋转器件，它利用哥氏加速度对振动质量检测块的作用来检测惯性转动。如果物体在圆盘上没有径向运动，科里奥利力就不会产生。因此，在MEMS陀螺仪的设计上，这个质量块被驱动，不停地来回做径向运动或者振荡，与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化。二、MEMS陀螺仪的工作原理22§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理这样的敏感器靠检测作用在质量块上的力而工作，质量块在参考系内线性振动，参考系绕与线性运动轴相垂直的轴转动。结果产生的哥氏力的方向既垂直于振动轴，又垂直于转动轴。二、MEMS陀螺仪的工作原理23§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动；横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化；由于科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。二、MEMS陀螺仪的工作原理24§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的MEMS陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。三、MEMS陀螺仪的结构与分类振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统，在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。1、基本结构一般的MEMS陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电容板形状的传感部分组成。25§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理三、MEMS陀螺仪的结构与分类振动陀螺仪的振荡器（简单形式）MEMS陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是公开的MEMS陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。2、几种典型的结构与形式26§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理三、MEMS陀螺仪的结构与分类（1）音叉式振动陀螺仪2、几种典型的结构与形式采用压电石英晶体并由光刻和化学蚀刻而成，然后再用激光修刻调整平整。激振电极驱动H形音叉的双臂作线振动。当音叉绕音叉中心相对惯性空间转动时，音叉的双臂将产生垂直于音叉平面的线振动，从而对该振动进行检测输出相应的电压信号。27§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理三、MEMS陀螺仪的结构与分类（2）框架式振动陀螺仪2、几种典型的结构与形式由内框架和外框架组成。相互正交的内、外框架轴均为挠性轴。检测质量固定在内框架上。在外框架量测各设置1个激振电极，在内框架两侧各设置1个读取电极。外框驱动轴小角度高频振动，输入轴有角速度输入时，内框绕输出轴做角振动。引起检测电容的变化。28§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理三、MEMS陀螺仪的结构与分类驱动部分传感部分（3）梳状振动陀螺仪2、几种典型的结构与形式该结构在1989年提出，目前得到了广泛应用。29§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理三、MEMS陀螺仪的结构与分类MEMS陀螺的结构图30MEMS陀螺的误差主要由确定性误差及随机误差构成：•前者主要指扰动误差(敏感物理模型中的参数变化)和环境敏感误差(敏感环境的干扰);•后者指由不确定因素引起的随机漂移，主要包括偏差不稳定性、速率随机游走和角随机游走。§§7.2MEMS7.2MEMS陀螺仪的工作原理陀螺仪的工作原理四、MEMS陀螺仪的基本误差31结束第七章MEMS陀螺仪