《《导航定位控制与应用论文》-公开DOC·毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《导航定位控制与应用论文》-公开DOC·毕业论文（27页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、导航定位控制与应用课程大作业论文标题：微陀螺仪技术研究综述撰 写 人：XXXXX联系方式：XXXX院 系：仪器科学与工程学院摘 要陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体旋转快慢的传感器。根据原理的不同，人们将陀螺分为机械转子陀螺、光学陀螺和微机械陀螺。微陀螺仪的基本原理是利用柯氏力进行能量的传递，将谐振器的一种振动模式激励到另一种振动模式，后一种振动模式的振幅与输入角速度的大小成正比，通过测量振幅实现对角速度的测量。微陀螺与传统的陀螺相比，它具有体积小、功耗低、成本低、灵敏度高、抗过载能力强、动态范围大和集成化等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，而且总体性能大
2、幅提升，符合产品信息化发展方向，因此在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前景。通过对微陀螺仪的技术研究进行综述，从其研究背景、原理、分类、制作工艺、测试手段以及应用案例进行了分析和概括，简要介绍了微陀螺仪的特点、性能指标和发展前景，详细描述了国内外的研究现状以及对几种应用广泛的微陀螺仪进行了详细的介绍。包括微振动陀螺、流体陀螺、固体微陀螺、微集成光学式陀螺、悬浮转子式微陀螺和原子陀螺。关键字：微陀螺；研究现状；性能指标；原理；分类；制造流程；应用目 录第一章 微陀螺仪研究背景3一、基本概念与组成.3二、国内外研究现状.3三、微陀螺仪的特点.5四、基本性能指标.5五、发展前景.6第二章 微
3、陀螺仪原理与分类方式8一、基本原理.8二、分类方式.9第三章 各类微陀螺仪简介.11一、微振动陀螺.11二、流体陀螺.13三、固体微陀螺14四、微集成光学式陀螺.15五、悬浮转子式微陀螺.16六、原子陀螺.17第四章 微陀螺仪设计与制造.18一、设计流程与工具.18二、工艺方法18三、制造技术难点.19第五章 微陀螺仪测试及应用20一、测试内容及手段.20二、数据分析及方法.20三、应用案例.21参考文献.24第一章 微陀螺仪研究背景一、基本概念与组成：微机械技术通过集成电路的平面工艺和其他一些特殊工艺，如各向异性腐蚀技术、牺牲层技术、键合技术等，在硅片、玻璃等材料上制作尺度在微米级到毫米级的
4、微裂机电集成的传感器、执行器或微系统。从20世纪80年代后期开始，随着半导体加工技术的进步，出现了将微机械与微电子集成的微机电系统(MEMS)技术。微机电系统技术不仅集成了电路，还集成了机械部件，在微米量级内设计和制造微传感器、微执行器，促使了微型器件的研发，其中微陀螺仪就是一种受到世界各国广泛关注的微型惯性传感器。陀螺仪也称角速率传感器，是用来测量物体旋转快慢的传感器。陀螺是惯性导航与制导系统中的核心器件，广泛应用于国民经济领域和国防军事领域。根据原理的不同，人们将陀螺分为机械转子陀螺、光学陀螺和微机械陀螺。微机械陀螺与传统的陀螺相比，它具有体积小、功耗低、成本低、灵敏度高、抗过载能力强、动
5、态范围大和集成化等优点，可嵌入电子、信息与智能控制系统中，使得系统体积和成本大幅下降，而且总体性能大幅提升，符合产品信息化发展方向，因此在民用消费领域和现代国防领域具有广泛的应用前景。二、国内外研究现状：国外从事微陀螺仪的研制和生产起步较早，工艺基础雄厚，已有商业化产品，抗冲击能力强，性能稳定，精度高，不断有创新成果。20世纪80年代以来，Draper(德雷珀)实验室（美）、JPL公司（美）、LITTON（利顿）公司（美）、LITEF 公司（德）、SAGEM 公司（法）、AD 公司（美）、Vector 公司(俄)等相继开展微硅陀螺、微硅加速度计等微型惯性仪表的研究，有的已形成产品，进而进行微型
6、惯性测量组合的研究。美国国防部将 MEMS 技术列为国防部的关键技术，美国国防高级研究计划局（DARPA）资助开发军用MEMS的经费每年达5000万美元以上。德雷珀实验室从1989年开始研制微机械振动陀螺仪，已封装实验了 200 个不同型号的微机械振动陀螺仪，经受了加速度为 8000g 的冲击和离心试验。在 1991 年研制出一种微型惯性测量组合，其体积为2 cm2 cm0.5 cm，质量为5 g。它仅比普通惯导体积的万分之一多一点，其中陀螺仪的漂移为10 () /h。这一系统包括三个陀螺仪和三个加速度计，以及相应的执行元件，在一块25.8 cm2的硅片上便可制造出4 000个这样的微型惯性测
7、量装置。BEI 电子公司 Systron Donner 惯性分公司已采用 MEMS 技术，批量生产出单轴、三轴固态石英压电陀螺，其生产速度超过每月800只，目前在国内市场上已可买到，可用于高档汽车、导航、飞机、航天等领域。日本在1989年成立了微机械研究会， 1992年日本正式启动一项为期10年、耗资1.9亿美元的“微机械研究计划”，着重发展 6 个方面的技术：延伸微纳米技术、微装置技术、器件高度集成技术、场能利用技术、多分布与协同管理技术和智能材料利用技术。据报导，日本住友精密工业公司和英国航天公司已合作研制成功一种硅微机械压电陀螺仪CRS系列振动陀螺仪。ADI公司的ADXRS nnn（nn
8、n表示满量程的每秒度数）系列微机械陀螺采用表面工艺制造， ADXRS150和ADXRS300陀螺结构为4m厚多晶硅，灵敏度为12.5mV/（/s），工作状态和非工作状态抗冲击分别为2500g和33000g，外形为7mm方形，高度为3mm，功耗也只有25mW，具有完全电路集成、低功耗、抗振动和冲击等优点，代表了陀螺技术的飞跃1。德国Bosch公司最先将磁驱动引入微机械陀螺，利用电容检测，其灵敏度为18mV/（/s），量程为100/s，工作温度范围-4085C；芬兰赫尔辛基科技大学研究了一种工艺简单的微机械电容检测框架式振动陀螺，实现了噪声0.042/sHz，信噪比51.6dB2；最新研究方面，美
9、国加州大学微系统实验室研制了一种新颖的嵌套式质量块框架结构陀螺，它采用静电驱动和电容检测，灵敏度为0.690mV/（/s）3，部分研究成果如图1.2.1所示。图1.2.1 国外微机械陀螺研究成果我国微机械的研究始于1989年，现已研制出数百微米大小的静电电机和直径为3 mm的压电电机。清华大学导航与控制教研组的陀螺技术十分成熟，已发展了高精度静电陀螺的成熟技术，姿态漂移仅为每小时万分之五，并已掌握微机械与光波导陀螺技术。东南大学精密仪器及机械系科学研究中心也不断进行关键部件、微机械陀螺仪和新型惯性装置与GPS组合系统的开发研究，满足广阔的军民两用市场的需要。从1995年末开始，国防科工委便投入
10、6000万元以上的经费主要用于惯性器件的基础性研究，并且硅微机械陀螺技术已纳入863计划中。由上可知，我国的MEMS 技术研究工作虽然起步较晚，但正积极开展研究，国家已经投入巨资用于MEMS陀螺技术的研究。目前主要的科研单位有清华、北大、中科院上海微系统所、复旦大学、哈工大、东南大学等多家单位，经过十多年的努力，在基础理论、加工技术和工程应用等方面的研究已取得了明显的进步。但不可否认，与国外差距仍然较大，高性能微机械陀螺少有商业化产品。中电13所、中电26所等研究单位已有可用产品，中电13所用硅制作，电容检测方式，中电26所用石英制作，压电检测方式，漂移为10/h左右。在研究方面，复旦大学采用
11、压阻效应的陀螺电桥输出值为0.22V/s；下面均采用电容效应，清华大学研制的陀螺灵敏度为1.9mV/s4；中科院上海微系统所的陀螺灵敏度和非线性度分别为9.8mV/s和0.43%，北大研制的陀螺灵敏度达到22mv/s，非线性度为2.19%，哈工大的陀螺灵敏度为8.031mV/s5，部分研究成果如图1.2.2所示。图1.2.2 国内微机械陀部分研究成果三、微陀螺仪的特点：MEMS陀螺仪是利用 coriolis 定理，将旋转物体的角速度转换成和角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的。它主要特点是： 体积小、重量轻、功耗低； 成本低
12、，加工工艺可保证大规模生产； 可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受数千甚至上万g的冲击； 测量范围大，一些MEMS陀螺仪测量范围可高达数千/s。但是，目前各种微机械陀螺的角速度测量精度相对较低，漂移较大、稳定性较差。不同种类陀螺漂移率比较如图1.3.1所示6。图1.3.1 不同种类陀螺漂移性能比较四、基本性能指标：分析和评价陀螺的性能需要制定一系列的衡量准则，这些准则为我们应用陀螺提供了参考依据。总体而言，微陀螺有以下几个主要的性能指标：图1.4.1 微机械陀螺性能指标随机漂移由随机的或不确定的有害力矩引起的漂移率。测量范围陀螺仪的量程。阈 值陀螺仪能敏感的最小输入角速率。分 辨 率陀螺仪在规定的输入角速率下，能敏感的最小输入角速率增量，至少应等于按标度因数所期望输出增量的50。标度因数陀螺仪输出量和输入角速率的比值。标度因数非线性度在输入角速率范围内，陀螺仪输出量相对于最小二乘法拟合直线的最大的偏差
