微机械陀螺仪的新进展及发展趋势

江文清　夏志平

【摘 要】陀螺仪主要用来测量旋转角度或者是速度，其应用范围十分广泛，包括了导航，刹车调节控制等。微机械陀螺仪又可以进一步细分为加速式，振动式与转子式。本文就微机械陀螺仪的新进展及发展趋势作简要阐述。

【关键词】微机械陀螺仪；新进展；发展趋势

相比于传统陀螺仪，微机械陀螺仪的特点体现在体积小而成本低，能够批量生产，应用领域扩大不会受到限制。陀螺仪与微电子机械技术结合从而产生了新一代的微机陀螺仪，并且以其自身优点而广泛应用。

1 微机械陀螺仪

振动式微机械陀螺仪利用多晶或者是单晶硅制成振动质量，受到基于带动旋转，通常应用的是平面电极或者是梳状电极静电驱动，检测工作主要由平板电容器完成。转子式微机陀螺仪主要是利用多晶硅制作，应用了静电悬浮，角速度测量利用的是力短再平衡回路。微机械加速陀螺仪利用了参数相匹配的加速器，通过反向高频抖动从而构成多功能惯性传感器，能够对角速度与加速度进行测量。

2 微机械陀螺仪发展

陀螺仪作为惯性敏感器，同时也是INS基础核心器件，前者性能一定程度上取决于后者性能。依据相研究资料，惯性陀螺仪依据结构可以将其分为三个类别，机械陀螺仪，微机械陀螺仪，光学陀螺仪。机械陀螺仪主要指利用高速转子轴稳定性对载体角传感器进行测量。在多种陀螺仪中，技术较为成熟的转子陀螺仪主要有静电陀螺仪，动力调谐陀螺，机械陀螺，液浮陀螺等。精度方面能够有效满足工作需要。我国首先研制的是静电陀螺，定位是高精度船用，后经试验证明精度能够有效满足要求。

后期随着光电技术发展与应用，光纤陀螺与激光陀螺逐渐得到了应用，相比于激光陀螺而言，光纤陀螺的成本更低，对于批量生产更加有利。在光纤陀螺研究工作方面我国起步较晚，但是取得了不错的成果，在精度方面能够满足大部分情况下工作开展需要。微机械陀螺发展主要利益于微机械加工技术与电子技术发展，我国对微机械陀螺的研究开始于80年代末期，经过长期研究发展，产品已经能够满足军民两用。技术在发展的同时，光纤成本由于其成本较低，精度较高，因此能够在未来获得良好发展。

激光在60年首次出现，之后相关国家开始研究其应用于方位侧向，并将其称之为激光陀螺仪。此种设备工作原理是利用光程差对旋转角速度进行测量，闭合光路，由同一光源发生两束光，分别沿顺、逆时针方向，通过对相位差或者是干涉条纹变化进行检查从而得到旋转角速度。美国企业首先制作出了激光陀螺仪试验装置，后期研究与试验工作中，研究人员利用石英作为腔体，从而使技术应用成为了可能。之后美国空军与海军制定了相关研究计划，并且试验成功。光纤陀螺仪首先在美国制造出试验装置，光纤传感与通信技术培训的应用，光纤陀螺仪发展取得了更大的进步，并且在一定程度上能够取代传统的机械陀螺仪。

3 微机械陀螺仪参数与应用

微机械陀螺涉及到的参数内容包括了零偏飘移，分辨率，角随机游走，标度因子，测量范围等。参数同时也决定了其应用的范围，微机械陀螺仪依据其性能指标可以分为低精度，中精度，高精度，不同性能指标的微机械陀螺仪应用行不同的环境条件，并且其发挥的作用是不同的。低精度与中精度的微机械陀螺仪用于对相对较短时间的角速度测量，而限制其发展的主要因素则是角随机游走。低精度的微机械陀螺仪主要应用电子，机器人，汽车导航等，上述场合对精度的要求比较低。而中精度的微机械陀螺仪则应用于飞机，高精度微机械陀螺仪主要应用于航天与空间定位等。微机械陀螺仪应用的领域十分广泛，比如手机，平板电脑，数码相机，音乐播放顺，游戏控制器，智能玩具等电子领域。车辆防滑驱动控制，气囊系统与底盘控制等也有广泛应用。而在军事中的应用则主要是高精度的微机械陀螺仪，主要取决于其具体的用途，武器装备向着精准打击方向发展，因此就需要高精度微机械陀螺仪为其提供应有的保障。而应用于军事方面其自身特点体现在功耗低，小体积，成本低，具体应用包括了机器人，战术导弹，无人机等。

4 微机械陀螺仪的不同类型

应用于实际工作并且发展较快的微机械陀螺仪是硅基微机械陀螺仪，其应用范围汽车工业领域扩展到个人导航等方面。此类型微机械陀螺仪优点体现在质量轻与体积小，而功耗低，能够较好的满足手持设备要求，并且随着相关技术的发展，其精度大幅度提升，已经进入了高精度范围。从结构框架方面来细分，此类型微机械陀螺仪又可以将其分为，框架式，耦合式，振动式，解耦式，多轴或者单轴陀螺，多自由度或者是双自由度陀螺等。

就解耦式陀螺仪而言，影响其性能正常发挥的因素主要是正交误差信号的存在，主要影响内容是温度偏移。而解决此问题则需要通过正交解耦技术，从而消弱误差信号对功能正常发挥的影响。环形陀螺仪具有分辨率高，长期稳定，匹配模式优良等特性。单纯只考虑最大增益等因素，传统设计工作都使陀螺工作时保持在最高谐振频率，而达成此目的则需要通过驱动谐振与敏感驱动频率。但是系统对影响谐振频率发生变化的因素十分敏感，高增益情况下，带宽就会很窄。除此之外阻尼也会对其产生一定影响。

微机械振动陀螺仪依据材料可以将其分为压力陶瓷、固态声学、石英微机械陀螺。压力陶瓷微机械振动仪相比于传统振动仪，利用自身材料构成振子从而完成，因此其鲁棒性能优良，能够更好的抵抗外力冲击力与震动对性能造成的影响，检测范围也更加的宽泛，能够在大气环境下工作并且不需要真空封装。

固态声学陀螺指的是陀螺结构中没有角速敏感装置以及弹性支撑结构，具备良好的抗冲击能力，同时对于真空封装也没有特别的要求。石英微机械陀螺属于振动陀螺的范畴，其工作原理是哥式加速效应。基体材料主要是石英，通过驱动与检测电极实现驱动模态与状态信号敏感。此类型陀螺仪应用了一体化加工，优点体现在体积小，精度高，可靠性高，环境适应性良好等方面，应用领域十分广泛。

5 制约微机械陀螺仪发展的因素

制约因素首先需要考虑到漂移误差，硅微陀螺在性能方面还有待提升，而性能提升的关键就在于使其存在的漂移误差降低，尤其是随机漂移误差。由于技术与理论不完善，相比于传统惯性器件，微机械陀螺仪的精度大约会降低一到三个数量级，而漂移又是其主要的误差源，微机械陀螺仪漂移通常可以分为正常值漂移，速率随机游走，速率斜坡，角度随游走等，量化噪声等。从宏观方面来区分，双可以将其为分为随机部分与确定部分，后者再進一步细分又可以将其分为斜坡分量与常值漂移。而此部分是有规律可循的，如果补偿得以完善，有规律可循部分不会影响到陀螺仪精度。确定部分消除后剩余的是随机部分，被认为是噪音，对于噪音而言，实时补偿是无能为力的。漂移数据处理通常应用的是时间序列法建模，并利用算法使随机噪声产生的影响减小。因此在实际工作过程中，尽可能标定其确定部分，而使随机部分减少。

精度方面存在的问题是陀螺仪结构设计会影响到灵敏度，而应用于实际工作中，系统成本与精度则主要有惯性仪表决定。高精度陀螺仪成本高而制造难度大。目前应用于工作的陀螺仪如何提升其应用精度是未来发展的重点。

6 结束语

陀螺仪在某些行业应用非常广泛，而其自身也经历了长期发展，种类多样而功能丰富，能够很好的满足生产生活需要。虽然其自身在某些方面仍然存在局限，但是其未来发展前景是十分良好的。

【参考文献】

[1]许昕何，杰王文.微机械陀螺仪的新进展及发展趋势[J].压电与声光，2014（4）.

[2]李凌宇，卢翌，陈兴.微机械陀螺仪设计与研究[J].电子科技，2013（26）.