【转载】-国外mems器件和惯性系统发展及现状

以下文字来自于《基于MEMS惯性器件的小型姿态测量系统设计》

1.1 国外mems器件和惯性系统发展及现状

1. 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(analog devices, 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值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) sunder2strand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rba2500主要应用于战术导弹和智能炸弹的制导系统[1]。

2) 1993年,美国联信电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)在法国武器装备部(dga)的资助下,开发了一种成为振动惯性加速度计的微机械石英振梁式加 速度计via。该加速度计采用整体式传感器结构,结合石英优异的机械特性,可获得非常好的标度因数稳定性,优化设计的传感器结构使传感器安装面与振动部件 有效隔离,非常有利于偏置的稳定性[1]。

1. 1. 2 微型陀螺仪的研制现状

目前,国外研制出了一些用于军事的微机械陀螺,主要如下:

1) bei公司生产出的qrs11微型陀螺仪是一种高性能的单轴、固态石英音叉微机械振动陀螺仪,该陀螺的主要性能指标为:测量范围为±50(°) /s,±100 (°) /s,±200 (°) /s,±500(°) /s,±1 000(°) /s、恒温100s内稳定值为≤0. 002(°) /s、分辨率为0. 004(°) /s、质量为60g、外形尺寸为φ=39mm,h=17mm。目前该陀螺仪已应用于捕食者无人机和幼畜空对地导弹上[2]。此外,在长弓阿帕奇直升机和西 科斯基的s292直升机的惯性系统的稳定平台中也使用了qrs11陀螺[3]。

2)波音公司的空间系统分部和喷气推进实验室(jpl)研制出了两种微机械陀螺,其中尺寸较小的为全硅结构,敏感部件尺寸为4mm×4mm,其偏置稳定性 可达1(°) /h~10(°) /h;另一种尺寸较大的为混合结构,敏感部件尺寸为20mm×20mm,其偏置稳定性可达0. 01 (°) /h~0. 1(°) /h。该陀螺的寿命可达15年, jpl的微机械陀螺的主要应用目标是航天,如微小卫星。

3)英国base公司研制了一种电磁驱动的振动环式微机械陀螺,尺寸为10mm×10mm,其军用产品的偏置稳定性达到了2(°) /h,并已经应用于英军的垂直发射海狼导弹、中程反坦克导弹及美军的超远程制导炮弹。

1. 1. 3 mems ins和mems imu的研制情况

国外一些主要研究惯性器件的公司、大学、研究中心等都在mems imu和mems ins方面开展了大量研究,并取得了一定的研究成果。

1)瑞典研究所2003年研制的第二代mems ins的体积为49cm3,其imu(惯性测量装置)的陀螺和加速度计的零偏稳定性为50 (°) /h和300μg,单独的mems陀螺的性能达到了1(°) /h,标度因子稳定性为4×10-4。预计, 2005年mems ins的体积更小(33cm3),质量更轻(30g),系统中imu大小为16cm3,陀螺和加速度计的零偏稳定性为1(°) /h和100μg,单独的mems陀螺的性能达到了0. 2 (°) /h,标度因子稳定性为1×10-4 [4]。

2) draper实验室最新研制的mems imu体积为133cm3(包括外壳安装部件),质量272g,输入电压为5v(dc),总功耗为3.1w,最大可承受加速度为20 000g,零偏和标度因数的多次启动重复性分别为3(°)/h和7.0×10-5,随机游走在0. 05(°)/ h到0. 09 (°)/ h之间,在0℃~70℃温度变化范围内,一次启动的零偏和标度因数平均为8(°)/h和2.5×10-4,采allan方差,评价该imu内陀螺的零偏稳 定性,对1 000s时间内的数据进行平均, imu内部陀螺的零偏稳定性指标达到0.1(°)/h[4]。

3)雷锡恩公司正在研制的增程制导弹药(ergm)使用了bae航空系统公司生产的memsimu[5], 2000年,该imu在专用81mm迫击炮多发弹发射试验中抗震能力达16 000g,并在2001年1月的首次全弹制导发射飞行中有效完成了它的任务[6]。此外,美军的亚瑟王神剑(excali2bur)xm2982制导炮弹 中也使用了bae航空系统公司的memsimu。据报道, 2005年美军在伊拉克清剿反美武装的费卢杰战斗中, xm2982已经初露锋芒[7]。