文档介绍：课程论文
微机械陀螺仪发展概况以及存在的问题
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专业:机械电子工程
指导教师:
日期:2014年1月
摘要:本文介绍了陀螺仪的发展概况,按照发展进程描述了目前已有的,并对此做出了归纳;描述了结构误差与正交误差的研究状况,接着又介绍了微机械陀螺仪的制造工艺,最后提出了微机械陀螺仪的应用展望。
关键词:微机械陀螺仪,机构误差,正交误差,制造工艺
1 引言
导弹的射击精度由惯导系统(INS)的精度来决定,而惯导系统的精度、成本主要决定于惯性仪表(陀螺仪和加速度计)的精度和成本,尤其是陀螺仪的漂移对惯导系统位置误差增长的影响是时间的三次方函数。但制造高精度陀螺仪不但技术难,而且成本高。因此惯性界一直寻求各种有效方法来提高陀螺仪的精度,降低惯导系统的成本。
典型的微机械陀螺(振动速率陀螺) 是根据受激振动在有哥式加速度时存在模态耦合效应的原理来工作的实质上是由于哥式加速度的存在引起了两种模态间的能量传递。由于哥式加速度是由旋转产生的,且和旋转速率成比例所以通过测量感测模态的振幅大小就能测量输入角速度的变化。这些器件不需要有支架的旋转部件,所以便于小型化。根据陀螺性能的不同,一般可分为: 惯性级、战术级和速率级[1]。
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6 g,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100 mg, cm× cm× cm,偏置稳定度为l~10(°)/h,功耗不到1 w。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。例如,1985年美国的“先进中程空空导弹”系统IMU的质量为14 kg,预计当采用成熟的MIMU时,其质量有可能降到70 g。据报导, cm× cm× cm的微惯性测量组合,重5 g,功率小于1 W。
2 微机械陀螺仪现状
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人,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[2]。
硅微机械陀螺仪的结构常采用振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳状音叉结构、梁岛结构等,用来产生参考振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等,而检测由科氏力带来的附加振动的检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测等。光学检测也可用,但由于成本太高,因而没有太大的适用价值。
微机械陀螺仪根据驱动与检测方式分为四