MEMS惯性导航传感器

周红进，钟云海，易成涛

(海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018)

0 引言

近年来，在惯性传感器领域，3种主要的技术在不断提升军用和民用能力:环形激光陀螺(RLGs)，光纤陀螺(FOGs)以及 MEMS(Micro Electro Mechanical System)陀螺和加速度计。应用这些技术制造的陀螺和加速度计已经取代了除高精度应用领域之外几乎所有的机械陀螺和加速度计。RLGs具有超高的标度因素稳定性和对重力不敏感，在许多军用领域占据重要地位。FOGs作为RLGs一种成本低廉的替代品也逐渐渗透进RLGs的应用领域。MEMS惯性传感器对于惯性导航系统的小型化具有关键意义。MEMS创造了惯性导航应用的新市场，如战术级别的制导弹药以及可以与GPS芯片进行组合导航的个人导航仪。图1所示为近100年来惯性技术的发展情况。惯性传感器应用领域广泛，不同级别的应用精度要求也不一样。不同级别的应用对应的精度要求如表1所示。在实际应用中，还有其他一些重要指标，如噪声(随机游走)也需要加以考虑。

MEMS具有体积小、成本低廉等潜力，吸引了全世界的科研人员致力于发展民用和战术级别的MEMS导航系统。当前已经实用的最好MEMS IMU陀螺漂移约为5～20°/h，加速度计零偏约为1 mg，但还未真正达到战术应用的精度。MEMS IMU将逐渐渗透进FOGs和RLGs占据统治地位的战术级别的应用市场，并将开辟新的需要更小体积和更低成本的应用领域。

图1 惯性技术发展历史Fig.1 Inertial technology insertion history

表1 惯性传感器应用级别Tab.1 Inertial sensor application grades

现在市场上已经提供民用级的MEMS，其中很多可以与GPS进行组合导航。也有很少一部分接近战术级应用的全 MEMS IMUs(Honeywell，Atlantic Inertial Systems(前身为BAE)，Northrop Grumman/LITEF公司都在生产)。近几年，民用级的MEMS系统角速度敏感精度为1°/h，加速度敏感精度为几百μg，但还没有产品化。一旦产品化，在不远的将来MEMS将会在战术级应用领域占领RLGs和IFOGs的市场。

1 MEMS加速度计

MEMS加速度计通过2种方式敏感加速度:1)检测铰接或者挠性安装的元件质量在加速度作用下引起的电容或者压电变化;2)由于加速运动引起振动元件张力变化，导致振动元件振动频率变化，通过检测频率变化检测加速度。前者包括摆式或横向加速度计，后者包括谐振加速度计或振动横梁式加速度计 (Vibrating Beam Accelerometer，VBA)。MEMS摆式加速度计广泛应用在战术级到导航级的领域。VBA或谐振加速度计有潜力应用在更高领域。

1.1 位移式MEMS加速度计

图2为典型的垂向位移式MEMS加速度计，铰接的摆式质量元件悬挂在玻璃衬底的挠性弹簧上，当有加速度时，该元件可垂直于平面转动。通过检测位于绝缘衬底上2个电极间电容的变化即可检测加速度。在1g加速度作用下，质量元件转动角度约为70 μrad，也就是电极间距离发生3×10－8m的变化，电容变化为12fF(10－15F变化)。对于100 μg～15 g动态范围，要求电极间距离变化分辨率达到3×10－12m，或者22.5个电子充电的变化。

图2 下摆式MEMS加速度计Fig.2 MEMS Pendulous Accelerometer

Northrop Grumman公司制造的SiACTM就是这种加速度计的代表，Northrop Grumman公司已经制造了20000个，发展了战术和导航2种级别，而且已经得到广泛应用，如AMRAAM，GMLRS，以及指挥直升机。Honeywell公司、瑞士 Colibrys公司、MEMS应用公司、SiliconDesign公司、英国Sherborne传感器公司和德国Bosch公司等公司都生产类似产品。

图3为典型平面式位移加速度计，通过检测梳状手指间的电容变化测量质量元件的位移。这种加速度计对平面 (横向)方向的加速度比对垂向的加速度更加敏感。垂向和横向的加速度计可以组合成三轴加速度计。

AnalogDevice公司生产的 ADXL150和ADXL250加速度计是平面位移式加速度计的典型代表。ADXL250可以测量2个方向的加速度，噪声水平为，精度为10 ～50 mg。

图3 平面位移式加速度计Fig.3 In-plane accelerometer

位移加速度计可以在开环或闭环模式中工作。Colibrys公司［1］已经报告了高性能的RS9000系列加速度计，该系列加速度计工作在开环模式，既有平面式，也有垂向式。2种全部由硅制造而成，垂向式在上下2个电极之间悬挂了1个质量元件。工作零偏稳定性约为120 μg，零偏重复性为1 mg，标度因数精度为400 ppm，校正精度为65 μg/g2。1个温度传感器和特殊应用集成电路集成在传感器内，在线完成4阶温度补偿。Colibrys公司［2］还展示了采用σ－δ 5阶补偿的同类加速度计，经过σ－δ 5阶补偿后，其输出线性度得到显著提高，并大大减小振动误差。

Hughes Research实验室、斯坦福大学以及其他机构发展的隧道加速度计是垂向位移式加速度计的一种，这种加速度计具有超高的灵敏度。图4为隧道加速度计的概略图。

图4 MEMS隧道加速度计Fig.4 MEMS Tunneling Accelerometer

控制电极通过静电作用使悬臂转向隧道位置(＜1 um，约20 V)。伺服机构控制隧道凸点与悬臂之间的间隙保持稳定，从而稳定隧道电流(约1nA)。当有加速度时，电极间的电压就会发生变化。这种加速度计的分辨率可以达到10－9g，但需要低频谐振质量元件和亚埃级分辨率的信号读取元件。最新制造的隧道加速度计分辨率达到了20 ng/，工作频率为 5 Hz～1.5 kHz［3］，其闭环动态范围超过90 dB。但是，在未经环路改进的情况下，大加速度敏感能力还是较低 (约1mg)。中国发展的隧道加速度计［4］在1～100 Hz的工作频率下，分辨率达到

1.2 谐振式MEMS加速度计

谐振式加速度计包括VBAs，既有平面式，也有垂向式。谐振加速度计通过检测质量元件加速运动时，谐振臂谐振频率的变化来测量加速度，而不是检测质量元件的位移。谐振频率的变化可以通过检测电容或者压电而得到。当存在大压力作用于平衡臂或者挠性物体时，通常选用压电谐振器。当挠性物体由于加速运动发生弯曲，也会引起谐振频率变化。一些压电谐振加速度计包括:美国Systron Donner公司的谐振石英加速度计 (VQA);Kearfott公司的硅微振臂式加速度计;Honeywell公司的SiMMA加速度计;Onera公司的差分惯性振动加速度计。Onera公司的差分惯性振动加速度计的设计很巧妙，通过设计一个机械隔离系统，将振臂和安装基座隔离，从而保护活动部件不受热压力影响，这个热压力是由于石英和相关材料热扩展效应不同而引起［5］。Onera的差分惯性振动加速度计的零偏稳定性大约为100 μg。

目前2种最高精度的MEMS加速度计均为MEMS谐振加速度计:Draper实验室的硅摆动加速度 计 (silicon oscillate accelerometer，SOA)和Honeywell的谐振臂式加速度计 (SRBA)。SOA通过检测电容测量频率变化，在封闭实验室环境，其精度达到1 μg，标度因素稳定度达到1 ppm［6］，速度随机游走 (－0.5斜坡)为加速度计尺寸约1立方英寸。SRBA通过高纯度的单晶石英材料的压电效应读取频率变化［7］。

1.3 静电悬浮MEMS加速度计

静电悬浮加速度计消除了需要弹性机械支持的限制。理论精度非常高。制造精度降低，可以更加灵活地调整加速度计的带宽和灵敏度，且无需重新设计挠性部件。另外一个显著优点是可以敏感3个轴向的加速度。主要障碍在于控制回路复杂。

发展悬浮技术的研究机构包括英国大学、伯克利传感器和执行器中心。图5为南安普敦大学研制的圆盘悬浮装置，其中圆盘位移通过检测电容和闭路静电力获得［8］。Ball半导体、Tokinec公司和Tokohu大学开发了一种悬浮球体。图6为1.2 mg的球形质量元件，内置电极直径为1 mm。球的位置通过检测电容获得，闭路静电力控制球的位置。在MEMS制造过程，球和外壳的距离通过在多晶硅的外壳内侧刻蚀而成。为达到太空中测量微重力的性能，静电悬浮加速度计的噪声水平必须优于

图5 静电悬浮圆盘装置Fig.5 Levitated disk

图6 静电悬浮球Fig.6 Levitated 1 mm dia.sphere

2 MEMS陀螺

对于MEMS惯性系统而言，获得精度合适的陀螺比加速度计更加困难。科里奥利效应是制造振动陀螺的理论基础。原理上，一个质量元件在平面内做正弦振动时，如果该平面同时以角速度Ω做旋转运动，则在科里奥利效应的作用下，质量元件将垂直于平面做正弦振动，振幅与Ω成正比关系。通过测量科里奥利效应作用下的运动计算角速度Ω。所有的石英和硅制造科里奥利振动陀螺仪(Coriolis Vibratory Gyros，CVG)都是基于这个原理。基本上所有的MEMS CVG可以分为振动臂式、振动盘式和环形谐振框式3类。全世界已经有大量使用和正在发展的 MEMS CVG［9－13］。MEMS IMUs 的性能主要受限于陀螺的性能，目前MEMS陀螺的灵敏度为5～30 °/h。

2.1 MEMS振动臂式 (音叉式)陀螺

1990年，Systron Donner公司开始为美国空军“小牛”导弹制造18000只石英速率陀螺，期限2年。1990年中期，新的技术用来大批量生产低成本的偏航角速率传感器，这些传感器最早于1997年应用在凯迪拉克汽车上。图7为Systron Donner公司最为知名的H形石英压电陀螺。这种陀螺为平面陀螺，敏感圆盘上的音叉角速度。到2008年，每天可以制造的这种陀螺超过40000只。后来还发展了应用在智能弹药上的高－g陀螺。一个6自由度的IMU，包含3个陀螺和3个振动加速度计，大约1992年或稍晚，数字石英IMU(Digital Quartz IMU)诞生。DQI被嵌入到 Rockwell的 C－MIGITS中［14］，Systron Donner公司拥有制造权。

图7 Systron Donner公司生产的H形石英压电陀螺Fig.7 Systron Donner quartz rate sensor

Onera公司的振动积分陀螺 (Vibrating Integrated Gyro，VIG)为振动系统采取了特殊的隔离装置 (如同DIVA加速度计一样)，以减少结构外的能量损耗。100 Hz带宽下，输出噪声为0.01°/s/Sagem公司的Quapason陀螺有4个凸尖伸出基座，以减少输入到输出的交叉耦合信号。

2.2 振动盘式MEMS陀螺

图8为Draper实验室研制的音叉－2形陀螺(Tuning Fork Gyro－2，TFG－2)，包含2个平面状硅质元件，这2个平面状硅质元件通过折叠臂悬挂在玻璃衬底上，可以在平面内做180°振动。尺寸在300×400 μm量级上。由于科里奥利作用力引起的平面外的运动可以通过检测质量元件和衬底之间的电容变化得到，这种MEMS陀螺的一个典型性能指标是:平面内1 rad/s的输入角速度引起作用在质量元件上的力大约为9×10－8N，在垂直于电极方向最大有1×10－9m的峰值位移，3 aF(10－18F)的电容变化。1°/h的角速度分辨率需要能够检测出5×10－15m的位移和大约每个运动周期0.25电子的电量变化。Draper实验室已经将这种技术转让给Honeywell公司。性能测试数据表明最近的TFG的敏感范围在3～50°/h(3σ补偿)，工作温度范围为－40℃ ～85℃，振动输入可到12000 g。这些性能已经在增程制导弹药和所有的抗击弹药高级技术制导炮弹中得到验证［15］。Draper/Honeywell TFG系列陀螺设计已经经过验证，这种陀螺可以应用在高－g场合，而且性能在不断增强，制造技术也在提高。振动平面技术已经在Honeywell的HG1900，1930，1940 IMUs中得到应用，1940 IMUs尺寸为2立方英寸。

图8 Draper实验室研制的音叉－2形陀螺Fig.8 Top view of MEMS vibrating plate gyroscope

许多平面振动式陀螺都是梳状驱动的，这种梳状驱动装置由加利福利亚大学伯克利分校发明。梳状驱动装置采用多种结构设计以减少敏感元件与驱动之间的耦合效应，如平面式、垂向式及振动圆盘式。研究表明性能最好的厚度在50～100 μm之间。MEMS制造上的瑕疵很容易导致不必要的性能误差，因此关键在于制造技术的进步，且设计对制造工艺要求不是那么苛刻的MEMS陀螺，从而提高性能，降低成本。Analog Device公司已经制造出民用的ADXRS陀螺，其敏感轴和驱动轴都平行于衬底，这种陀螺可以工作在气体环境中，但性能则有限。

另外一些不依赖梳状驱动的平面振动式MEMS陀螺也在发展中。这种设计不要求梳齿间具有很窄的间隙和很高的制造精度。JPL实验室的MEMS陀螺［16］，采用2自由度的4片三叶草形状元件悬挂在4个弹簧上，包括1个垂直的柱状质量元件，通过绕位于三叶草叶片平面内的一根轴做摇摆运动来驱动。这是一种垂向式陀螺 (即测量的是垂直于三叶草页面的轴向角速度)。日本正在发展一种双万向轮结构驱动和敏感电磁感应的MEMS陀螺［17］。挪威Sensnor公司正在发展SAR500型高精度MEMS蝴蝶陀螺，其设计性能为:ARW为零偏稳定性为 0.04°/h，零偏重复性为 0.1°/h［18］。SAR500陀螺的敏感轴位于上下两层敏感平面内，这种设计可以提高灵敏度，还可以调节敏感元件和驱动之间的谐振，以便进行动态积分补偿。

2.3 环形谐振MEMS陀螺

环形谐振MEMS陀螺有一个优点:环形结构吸收了平面内全部敏感和驱动振动能量。但也存在一个缺点:环内振动质量低，因此标度因素小。图9是一个由密歇根大学研制的单晶硅环形振动陀螺［19］。环振动频率为27 kHz，直径为2.7 mm，宽50 μm，宽150 μm。环由静电力驱动振动，静电力通过平面内的电极施加，振动轨迹为椭圆形，是第一挠性模式振动。Z轴方向的角速度引发科里奥利效应，这将使能量从第一挠性模式转换到第二挠性模式，模式角为45°。第二挠性模式振动幅值通过检测电容得到。由于制造误差引起的频率失调可以通过平衡电极进行电子化补偿。这种陀螺的标度因素为132 mv/deg/s，分辨率为7.2°/h，输出噪声为10.4°/h/Hz0.5。

图9 密歇根大学研制的单晶硅环形振动陀螺Fig.9 U.Michigan vrating rng groscope

BAE公司发展了一种环形谐振器的硅振动结构陀螺，环形谐振器由兼容辐条支撑。谐振器环的科里奥利运动通过检测磁场变化得到，环中间安装了一个磁铁。这种感应式谐振环形陀螺［20］成功应用在姿态参考系统中，用来控制制造标准、中程反坦克制导导弹，以及其他军事系统。一种全硅电容式振动环形陀螺也在发展中。BAE公司的谐振环形陀螺技术经由大西洋惯性系统公司 (Atlantic Inertial Systems，AIS)授权，成功应用在 SiIMU02和SiNAV IMUs中。AIS联合日本Sumitomo制造公司生产的硅传感系列陀螺，以每个月几千只的速度生产民用级别的环形谐振陀螺。DMU02这种6自由度动态测量装置已经应用在赛格威的载人运输机，在CRS09的稳定系统中取代了FOG，也可以与GPS进行组合导航。

2.4 其他非传统MEMS陀螺

有迹象表明，传统的CVG陀螺难以超过战术级应用精度，因此科研人员正在研究其他的传感技术。其中之一就是Draper实验室于2004年开始研究的导航级积分微陀螺 (navigation grade integrated micro Gyro，NGIMG)。NGIMG将设计成芯片式的陀螺，ARW为0.001°/h，零偏稳定性为0.01°/h，标度因素稳定性优于50 ppm，带宽为300 Hz，功耗小于5 mW。早期选用了悬浮转子技术、微核磁共振技术和石英圆盘谐振技术等。

Draper实验室的另外一项创造是微标度速率积分陀螺 (microscale rate integrating gyro，MRIG)，这项研究始于2009年。这项技术将克服当前MEMS陀螺只能提供角速度而不能提供角度的限制。虽然MRIG已经完成概念设计，但是这项创造需要理论科学、制造、元件和系统方面的技术革命，这些技术革命还不包括现有的技术进步。欧洲空间局资助了BAE公司、德国Bosch公司、EADS CRC公司、LITEF公司、法国Sagem公司、挪威SensoNor公司及法国Thales等公司进行市场和可行性研究，其目标是研制零偏稳定性为0.1°/h的MEMS陀螺。能大量生产优于战术级精度的MEMS陀螺还需要许多年。

2.5 多轴陀螺及加速度计芯片

将平面式传感器和垂向式传感器集成到1块芯片上是进一步减小体积的一个研究方向。利用这种芯片式传感器，IMU的尺寸可以控制在0.2立方英寸内。这种IMU可以应用于个人导航和制导子弹。芯片式传感器将促进体积减小和成本的降低。

3 展望

惯性传感器技术成熟度如图10所示。图中右下角显示的是高成熟度的技术。从图中可以看出，没有新的传感器技术出现在接近水平面位置，对于传感器设计者而言下一步在哪?那就是小型化、低成本。因此未来数年将持续进行MEMS传感器小型化和性能提升。图11展示了惯性传感器技术将来可能应用的领域。

图10 惯性传感器技术成熟度Fig.10 Inertial sensor technology maturity

图11 惯性传感器技术将来可能应用的领域Fig.11 Future applications for inertial sensor technology

从图10可以看出，在不远的将来，FOGs将渗透进传统上由RLGs占领的领域。然而，分辨率为1°/h的2立方英寸的MEMS IMU的持续发展最终将占领战术级应用领域80%的份额，并向导航级应用领域渗透。

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