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1、MEMS惯性器件调查报告一、概?述MEMS(Micro?Electro?Me?chanicalSystems)即微机电系统,它属于多学科交叉的新领域,是融合微电子与精密机械加工的技术,集微型机构、传感器信号处理、控制等功能于一体的、具有信息获取、处理和执行等多功能的系统。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件。组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,集成于大尺寸系统中,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。基于MEMS技术生产的ME
2、MS器件具有体积小、质量轻、成本低、抗冲击、可靠性高等优点,在汽车、电子、家电、机电等行业以及军事领域有着极为广阔的应用前景。飞航导弹或无人机的控制系统一般采用自动驾驶仪或惯性导航系统两种形式,而这两种系统均大量采用惯性传感器,其中动驾驶仪的惯性传感器为陀螺仪,惯性导航系统的惯性传感器为加速度计和陀螺仪。采用MEMS惯性传感器或惯性测量系统可以在一定程度上降低成本、减小体积、提高性能并降低功耗。二、MEMS惯性器件工作原理（1）微型惯性测量组合(MIMU，MicroInertialMeasurementUnit)工作原理采用三维集成微型加速
3、度测量敏感轴和三个正交的微型陀螺仪进行二次集成构成一个正交三轴组合测量系统。微陀螺仪用来测量角速度信息，通过坐标变换矩阵，从而得到被测运动载体的姿态信息；微加速度计用来测量加速度信息，通过坐标变换矩阵，进而得到被测运动载体的姿态信息。示意图如下（2）MEMS陀螺仪工作原理物理上的哥氏力现象是指转动坐标系中的运动物体会受到与转动速度方向垂直的惯性力的作用。为了解释哥氏效应，我们可假设在一个转动的圆盘上有一个小球如图2．1所示，质量为m，它从圆盘的中心向边缘以速度1，作直线运动，若一个观察者坐在圆盘上观察这个小球，会看到它所形成的实际轨迹不是直
4、线，而是曲线。小球有明显的加速度，这个加速度即哥氏加速度，9可由盘子的角速度矢量n和小球作直线运动的速度矢量v的矢量积得出：α=2VXΩ(2-1)虽然没有真正的力作用在小球上，但对于观察者来说，伴随着旋转圆盘的一种表观作用力已经产生，它直接与旋转速率成正比。可以记为F=2m(v×o)(2—2)这种效应是所有振动结构陀螺工作原理的基础。图23哥氏效应示意图用图23可以理解振动陀螺的基本原理，其中质量块P固连在旋转坐标系的xoy平面，假定其沿x轴方向以相对旋转坐标系的速度v运动，旋转坐标系绕负z轴以角速度ω旋转。因哥氏效应原理，质量块P在旋转坐
5、标系的正y轴方向上产生哥氏力巴，F=2m·(v×ω)，其中m为质量块P的质量。可以看出哥氏力f。直接与作用在质量块P上的输入角速度ω成正比，并会引起质量块在y轴方向的位移，获得该位移的信息也即获得输入角速度ω的信息。概而言之，振动陀螺的振动部件受到驱动而工作在第一振动模态(又称驱动模态)(如图24质量块P沿x轴运动)，当与第一振动模态垂直的方向有旋转角速度输入时(如图2．4沿=轴的旋转角速度)，振动部件因哥氏效应产生了一个垂直第一振动模态的第二振动模态(叉称敏感模态)(如图24中质量块沿y轴产生的位移)，该模态直接与旋转角速度成正比。通过测
6、量感测模态的振幅大小就能测量输入角速度的变化”（3）MEMS加速度计工作原理加速度计是用来测量加速度的惯性器件，加速度本身很难直接测量，实际上现有的加速度计都是借助敏感质量变成力进行间接的测量，其原理与传统加速度计相同也是以牛顿惯性定律为基本工作原理。牛顿第二定律F=ma指出质点的动量变化率与其所受外力成正比，若质点质量恒定，则其加速度与外力成正比,根据a=f/m,可得到加速度。三、国内外MEMS器件和惯性系统发展及现状1、国内外MEMS器件和惯性系1.1微型加速度计的研制MEMS加速度计是所有MEMS传感器中商业化应用最成功的,已经应用于
7、汽车安全气囊系统中,并且MEMS加速度计在精度方面已能满足战略导弹的应用要求。在民用方面,美国模拟器件公司(AnalogDevices,Inc,简称ADI)作为MEMS传感器市场领先的供应商,提供了各种型号的MEMS加速度计,表1为ADI公司生产的高g加速度计的型号及主要性能指标。在军用方面,MEMS石英振梁式加速度计已经应用于战术武器的中段制导1)Sunder?Strand公司研制的振梁式加速度计,已发展成各种专门用途的设计型号,其战术级是第一个标准生产线产品,其RBA?500主要应用于战术导弹和智能炸弹的制导系2)1993年,美国联信电
8、子设备系统公司根据美国陆军导弹司令部关于动能导弹的技术要求研制的振梁式加速度计成功通过了性能测试[1]。3)20世纪90年代后期,法国国家航空航天研究院(ONERA)在法国武器装
