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微机械惯性测量装置 及其在导航中的应用

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微机械惯性测量装置 及其在导航中的应用. 张洪钺 教授 北京航空航天大学自动化学院测控系 2002 年 5 月 30 日. 国内外微机械惯性传感器的发展概况. 大规模集成电路加工技术可用于微机械系统的加工 对硅基片、石英晶片或铌酸锂片进行微级加工可实现微细精密机械结构。 常用半导体材料 —— 硅 本征电阻率高;在高温蒸汽中表面易氧化,形成具有化学惰性和电绝缘性的 SiO2 薄膜; 硅提纯方便,价格便宜; 已可加工微型阀门、弹簧、喷嘴等.还可生产力传感器、压力传感器, 惯性传感器 和马达等复杂元件. 国际微机械传感器的研制情况.

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微机械惯性测量装置及其在导航中的应用

张洪钺 教授

北京航空航天大学自动化学院测控系

2002年5月30日

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国内外微机械惯性传感器的发展概况
  • 大规模集成电路加工技术可用于微机械系统的加工
  • 对硅基片、石英晶片或铌酸锂片进行微级加工可实现微细精密机械结构。
  • 常用半导体材料——硅
    • 本征电阻率高;在高温蒸汽中表面易氧化,形成具有化学惰性和电绝缘性的SiO2薄膜;
    • 硅提纯方便,价格便宜;
    • 已可加工微型阀门、弹簧、喷嘴等.还可生产力传感器、压力传感器,惯性传感器和马达等复杂元件
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国际微机械传感器的研制情况
  • 微机械陀螺:静电、电磁、压电激励,电容、压阻检测
  • 微机械加速度计:应变式、电容式、谐振梁式
    • Draper实验室研制微型振动陀螺与微型硅加速度计组成的微型IMU。
    • BEI公司的微型数字石英陀螺已被Honeywell司用于AV一SB“鹞”式飞机飞控系统。
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微机械惯性传感器及系统精度相对较低,但成本低、体积小,抗冲击性强微机械惯性传感器及系统精度相对较低,但成本低、体积小,抗冲击性强
  • 众多应用领域
    • 军事应用中
    • 在汽车领域
    • 在医学界
  • 微机电系统是未来制造业的一种基本方法。
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在航空航天领域中的应用
  • 1. 减轻导线、敏感元件和驱动部件的重量。
  • 2. 微型加速度计和微型陀螺仪,可组成惯性测量或制导系统
  • 微陀螺仪应用中的问题:陀螺漂移产生虚假输出
  • 与GPS等其它导航系统组合,形成重量轻、体积小、成本低、可靠性高的导航与定位系统。
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微机电系统的主要优点
    • 尺寸很小,重量轻,与大部件相比,具有更好的刚性、更高的谐振频率和带宽及其它较优越的性能,也更容易固定。
    • 可重复性好。
    • 将微电子线路和机械系统紧密地联系在一起形成完整的单一系统。
  • 国内的研究状况
    • 微机电系统的发展刚开始,发展为惯性器件作为重点。
    • 从1995开始,清华大学研制出微型陀螺仪和微型加速度计的原理样机。
    • 北航在压力微传感器的研制方面开展了大量工作。
    • 其它高校和科研单位单位开展了这方面的研究工作。
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微机械加速度计性能和工作原理
  • 工作机理:应变式、电容式和谐振梁式
  • 工作方式:开环、闭环
  • 应变式加速度计
    • 开环工作方式
    • 美斯坦福大学的产品

通过压阻效应来敏感摆片在

受到加速度时其支承弯曲应

变的原理来测量加速度。

图1 加速度计的顶视图(a)和中心剖面图(b)

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电容式加速度计
    • 闭环工作方式 结构形式:扭摆式、悬臂式
    • 工作原理:带有惯性质量的摆片因受到加速度发生位置偏转,摆片所带的电容极板的位移使电容值发生变化,采用交流电桥测量出电容量变化,经再平衡电路反馈电压给静电力矩器以产生静电力,使摆片保持在零位附近。

图 2 扭摆式电容式电容式硅加速度计硅加速度计原理图

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谐振梁式加速度计
    • 通过测量联接惯性质量和壳体基座谐振梁的频率变化来测量加速度的。
    • 优点:低成本、高可靠性和高温度稳定性。
  • 微机械加速度计的试制情况
    • 采用体加工方法,研制成功μg级的高精度微机械加速度计。
    • 玻璃—硅—玻璃或硅—硅—硅“三明治’。
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微机械陀螺仪性能和工作原理
  • 80年代后期才发展起来的一种新型陀螺
  • 工作原理:

敏感元件(质量块或质量片)在激励模态下振动,沿垂直于振动方向的对称轴施加输入角速度,在哥氏力的作用下,质量块将在三维空间的另一方向上以敏感模态同频率振动,幅度与输入角速度大小成正比。

由于激励与检测方法不同,所以出现了不同的结构。

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静电激励、电容检测方式
  • 振动方式:角振动式、线振动式
  • 框架式角振动陀螺:Draper实验室于1988年研制
    • 没有高速旋转的陀螺转子,而是绕挠性枢轴高频率振动的部件
    • 漂移不定性为5000/h,适用于短时间导航。
  • 音叉式线振动陀螺仪:1993.5 Draper实验室研制成功。
    • 采用单晶硅梳状结构产生静电力驱动音叉
    • 双层结构
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电磁激励、电容检测方式
  • 音叉式线振动陀螺:1994,日本东北大学研制
  • 电磁激励,省去难加工的梳齿结构
  • 玻璃—硅—玻璃三层结构 ,图中为硅层结构
  • 长和宽均约20mm,硅层厚度200μm,两层玻璃厚度均为 250μm。

图12电磁激励的线振动陀螺原理结构

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压电激励,电容检测方式
  • 谐振棒式线振动陀螺
  • 线性度好,结构简单,易于批量生产。

由于陀螺本身的结构设计对加速度很

敏感,所以精度并不比其它陀螺高

图13 谐振棒式线振动陀螺仪原理结构

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电磁激励,压阻检测方式

其它工作方式的微机械陀螺

  • 采用音叉式机械结构,动栅式场效应管高灵敏度检测电路和幅值、频率及相位控制技术。
  • 将陀螺的机械尺寸放大
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微机械陀螺总结
  • 提高微机械陀螺的性能
    • 在结构工艺,驱动技术和信号检测等方面进行改进
    • 进行误差补偿
  • 通过对微机械陀螺的误差进行建模,来实现误差补偿 。
  • 精确建模和误差补偿将使微机械陀螺的性能进一步提高。
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微惯性测量组合(MIMU)
  • 1994,Draper实验室研制MIMU
  • 构成:三只微机械陀螺仪和三只微机械加速度计,在立方体的三个正交平面上。
  • MIMU最终尺寸为2cm x 2cm x 0.5cm,重约5g。
  • 电子线路的所有功能模块集成在一块硅片上。
  • 较成熟实用的系统方案:每一个惯性仪表都配备自己的专用集成电路并产生相应的输出,然后送给微处理器进行数据处理,产生导航信息。
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Draper研制的三轴加速度计,混合包装面积为2.5mm x 2.5mm,带前置放大器,用于制导炮弹 。

图14 三轴100g加速度计

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微机械惯性装置的关键技术
  • 结构工艺
    • 面加工工艺
    • 体加工工艺
    • LIGA加工工艺
  • 信号检测技术
  • 驱动器控制技术
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面加工工艺
  • 工艺过程相对比较简单。
  • 它是在基片上淀积或生长多晶硅层来制造微机械结构。
  • 仪表的分辨率和灵敏度都有限。
  • 面加工加速度计的性能极限:分辨率极限只有1 mg。
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体加工工艺
  • 基础:单晶硅刻蚀技术。
  • 结构:玻璃——硅——玻璃或硅——硅——硅多层“三明治’结构。
  • 体加工工艺过程比面加工要复杂,体积大,成本高。
  • 机械性能好;可活动结构部分的尺寸增加了,仪表的分辨率和灵敏度高
  • 目前,LITTON,LITEF、HITACHI以及Neuchatel的加速度计都采用体加工工艺,获得了μg的测量精度。
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LIGA加工工艺
  • 即:X光同步辐射光孤电成型及微压塑工艺。
  • 由德国首先开发出耒,可用激光代替X光。
  • 结合牺牲层技术,可制造大高宽比的可活动微结构,结构材料可是金属。
  • 传感器灵敏度高。
  • 但LIGA工艺需要同步辐射光源,成本昂贵。
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信号检测技术
  • 必须有检测位移的信号器,被测位移范围为 0.1~1μm。
  • 信号器的重要性能参数
  • 当前使用的信号器
    • 压阻式传感器

输出阻抗低,但灵敏度也低,输出电平只有l0-50mv,而且灵敏度的温度漂移比较大,为200ppm/0c。

    • 电容式传感器

敏度高,热漂移小,温度稳定性好。但变换电路复杂,易受电磁干扰。

    • 隧道电流传感器

分辨率和灵敏度都很高 。但隧道电极易受污染,隧道电流会随时间变化。

    • 动栅式场效应管

灵敏度比电容传感器高一些。但是,噪声强度增加,且温度稳定性有所降低。

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驱动器控制技术
  • 驱动器工作方式:
    • 电磁驱动器:由导体中的交流电流与直流磁场相互作用产生的电磁力驱动。导体在磁场中振动将切割磁力线,产生阻尼力。因此,其品质因数比较低,检测轴为20,驱动轴为100。
    • 静电驱动器:利用静电场的吸力,使音叉产生简谐振动。由于静电力与外加电压的平方成正比,为了产生交变力,供电电压必须由直流和交流两部分组成。静电驱动器的品质因数高,检测轴为5000,驱动轴为4000。
  • 一般来说,微机械陀螺在谐振状态下工作,灵敏度与品质因数成正比。所以,采用静电驱动器是比较优越的。
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小型卫星有效载荷的小型化集成化与微电子机械系统(MEMS)小型卫星有效载荷的小型化集成化与微电子机械系统(MEMS)
  • 近年来,随着有效载荷小型化和集成化的飞速发展,小型卫星和微型卫星已成为当代卫星发展的一个重要趋势。
  • 卫星的重量分类:
  • 英国的萨瑞(SURREY)大学,从1981年以来,已成功地发射了十几颗小卫星,用于通信、遥感、监测和干扰等目的 。
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图17为萨瑞微卫星在工作台上的外形图像,重量为70kg,主体外形尺寸330mm×300mm×640mm。发射至高度为560公里的轨道上运行。图17为萨瑞微卫星在工作台上的外形图像,重量为70kg,主体外形尺寸330mm×300mm×640mm。发射至高度为560公里的轨道上运行。
  • 图18为瑞典研制的微小卫星,图中所示太阳能电池平板在运行时为张开位置。

图17 英国萨瑞微卫星 图18 瑞典微小卫星

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小卫星的优点
    • 快速
    • 先进
    • 可靠
    • 价廉
  • 小卫星实现的关键:有效载荷的小型化和集成化,即要走“两微一光,多芯片组装”之路,也就是必须采用先进的微电子技术、微电子机械系统和光电子技术,通过多芯片组装技术实现有效载荷的小型化和集成化。
  • 采用微机械惯性装置则是实现微小卫星导航和控制的重要途径。
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微电子技术
  • 微电子技术作为当今信息时代的基础,其在国民经济中的战略地位,已为人们所认识,同时任何电子设备和系统的小型化、集成化无不首先要立足于微电子技术。事实上,小卫星的出现和发展,直接受益于采用了先进的微电子技术。
  • 美国航天局提出的“新盛世计划”(小航天器计划)要求有效载荷分系统的电子线路和部件集成在一个仅为1cm3大小的体积内,但功率放大器的集成是小卫星小型化的关键,目前还没有什么技术突破。
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微电子机械系统(MEMS)
  • MEMS涉及到微电子学、自动控制、光学、气动力学、流体力学、声学和磁学等多种学科。
  • 代表特征:极小的尺寸,最大尺寸在毫米量级,小至微米和亚微米。
  • MEMS特点:体积小、重量轻、功耗低、功效高、可靠性高、机械强度高、能承受恶劣环境条件。不产生蠕变和疲劳、使用寿命长等。另一个重要特点是价廉,因而能很快进入市场,1995年MEMS的市场规模已达15亿美元,当时预计2000年可达140亿美元。
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光电子技术
  • 传统的光学技术与现代微细加工技术相结合,大大加速了光电子技术的发展,使光通信、遥感、成象等领域都在飞速发展,已成为当前国际上发展最快的应用技术之一。
  • 光电子技术的最新成果将成为小卫星有效载荷减小体积、减轻重量的关键因素。
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多芯片组装
  • “两微一光”提供了小型化电路和部件,它们是要连接装配以构成更大功能的组件或分系统,这就突出了装配技术。
  • 目前,影响系统小型化的主要因素是芯片的组装技术。最先进的多芯片组装(MCM)技术,对整机和系统的小型化起到了决定性的作用。
  • 美国NASA着眼于21世纪,提出对于小飞行器的“集成通用组件”(IUM)概念,集结构完整,热学处理、功耗、数据和信号传输、防辐射、防宇宙尘埃以及其它电子和机械功能在一个重量轻、体积小的无电缆连接的封装中,形成一个大功能块。
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星载MIMU的关键技术和解决途径
  • MIMU用于卫星导航与控制的优点
    • 微小卫星采用MIMU是一个重要的发展方向。
    • MIMU重量轻、价格低、可靠性高、寿命长、耗能少。
    • 卫星失重狀态有利于减少MIMU与重力有关的误差;卫星舱的真空狀态又有利于MIMU保持其内部真空狀态,从而减少振动的阻尼,提高仪表的Q值和灵敏度。
    • MIMU不会对卫星产生干扰力矩。
  • 缺点
    • 精度低。
    • 解决方法:采用组合方法。
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其它姿态敏感器
  • 空间飞行器的姿态是机体坐标系的三轴相对某些参考坐标系的方位或指向。
  • 姿态敏感器就是为获取这些信息的机载硬件设备。这些设备利用光学原理、力学惯性原理、无线电测量原理以及地球磁场原理设计的。按照不同的参考基准可分为六类。
    • 以天体为参考基准:太阳敏感器,星敏感器;
    • 以地球为参考基准:红外地平仪,反照敏感器;
    • 以惯性空间为参考基准:陀螺,加速度计;
    • 以地面站为参考基准:射频(无线电)敏感器;
    • 以地球磁场为参考基准的磁强计;
    • 以地貌为参考基准的陆标敏感器。
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空间惯性系统
  • 惯导系统在宇宙飞行器上是不单独应用的,需其它敏感器辅助。
  • 卫星测姿常用敏感器:地球敏感器,太阳敏感器、星敏感器等光学仪器。
  • 因为惯性系统能自主地完成任务而不依赖于外界条件,在大部分卫星上,特别是在控制精度高、控制功能比较复杂的卫星上都离不开惯性测量系统。
  • 光学仪器只有在捕获到参考天体的情况下才能起测量作用。如地球(太阳)敏感器必须捕获到地球(太阳) ,星敏感器(跟踪器)则必须有参考星体进入其视场等。否则光学仪器将不能发挥作用。
  • 惯性系统可测量载体绕任一轴的姿态角。光学敏感器却很难做到这一点。地球敏感器只能测量卫星相对于水平面的俯仰和滚动,而不能测量偏航;太阳敏感器不能测量卫星绕太阳——卫星连线的转动,而只能测量绕与连线垂直方向的转动。
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空间惯性系统
  • 大部分光学仪器只能提供断续的姿态数据,而陀螺能给出连续的姿态信息。
  • 陀螺应用方便、数据处理比较简单。而不少光学仪器则需要外界提供卫星的坐标和复杂的数据处理。
  • 惯性系统的严重缺点——陀螺的误差即漂移速率,它引起的姿态角测量误差是随时间累积的。卫星的工作时间可长达数年之久,因此只用陀螺作为敏感元件,在这样长的时间内要满足精度要求,在技术上几乎是不可能的。必须用其它敏感器经常修正陀螺的漂移。而用惯性敏感器提供连续的姿态数据、互相取长补短,才能组成性能优良而又价格便宜的系统。
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美国Orbview4卫星的姿态控制系统
    • 商用高精度的地球景象卫星
    • 任务:产生、处理和分派一米长的全色图象和四米长的多频譜图象。
    • 沿高度为470km 的太阳同步轨道飞行。
    • 姿态控制系统由GPS、星跟踪器、光纤陀螺惯性参考装置、太阳敏感器、三个磁强计等组成。采用光纤陀螺是因为它没有机械陀螺和激光陀螺那种抖动干扰。
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德国近地轨道卫星(LEO)的最小硬件导航系统
  • 由GPS/GLONASS、磁强计导航以及地标导航组成。

图24 LEO卫星组合导航系统方案原理图

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星载MIMU组合导航方案构想
  • 卫星地重量每公斤发射成本约为一万美元至十万美元,减轻卫星的发射重量将带来巨大的经济效益。
  • 减轻卫星设备的重量将是减轻卫星重量的有效手段。
  • 随着设计和制造工艺等的改进,陀螺漂移减小至每小时一度,加速度计零偏减小到1mg是可以实现的。这种性能的MIMU用于战术导弹已毫无问题,用于小型卫星也是有可能的。
  • Siegfried等文章中披露NASA Johnson Space Center正资助空间飞行器用的MIMU/GPS组合导航的研究。
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集中滤波组合导航方案

分散化滤波组合导航方案

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MIMU采用余度技术,既可提高MIMU的可靠性,还能提高MIMU的测量精度。MIMU采用余度技术,既可提高MIMU的可靠性,还能提高MIMU的测量精度。
  • 构成余度惯性组件的器件数目在4个以上,就有1个以上的余度,
  • 输出方程为:

式中: 是陀螺或加速度计的输出;

是角速率或比力;

为n×3的配置矩阵,惯性器件的配置方案不同,配置

矩阵的形式不同;

为高斯白噪声。

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