MEMS惯性器件.pdf

惯性技术实验室 惯性技术实验室 微机电 技术在导航中的应用微机电 技术在导航中的应用 2 1 世纪的商业导航2 1 世纪的商业导航所有车辆具有导航能力 都能够自动稳定和自动控制我们能够了解每样东西、每个人所在的位置以及要去哪儿很多车辆是自治/无人驾驶的卫星导航的精度 1 m，且在任何地方都可以工作惯导系统仍然继续漂移g r e a t p i t y！惯性技术实验室惯性技术实验室 112 1 世纪军用导航2 1 世纪军用导航惯性技术实验室惯性技术实验室 2 2 GPSSatelliteGPSSatelliteOptical TrackingUAV GroundControl StationOptical TrackingUAV GroundControl StationWeaponReleaseAuthorityWeaponReleaseAuthorityGridCoordinatingStationGridCoordinatingStationAirborne GridReference StationAirborne GridReference StationSAR UAVGround ControlStationSAR UAVGround ControlStationSAR IlluminatorSAR IlluminatorSATCOMSATCOMOpticalTargetingUAVsOpticalTargetingUAVsWeapon PlatformWeapon PlatformUnderground FacilityUnderground FacilityMulti-StaticSAR Targeting UAVsMulti-StaticSAR Targeting UAVsGridReferenceStationGridReferenceStationStationaryor MovingTargetStationaryor MovingTargetSystem ConceptSystem Concept 精确定位对取得未来 战场的控制权至关重要 对数据和信息的控制 是关键 低成本惯导系统是 integrated battlefield 的基础技术条件：高抗干扰的GP S精确制导弹药自主战车哥氏加速度和哥氏力哥氏加速度和哥氏力rv?2crav=?设载体上的质点相对载体的运动速度为，当载体以角速度作定轴转动时，质点产生哥氏加速度：梳式音叉陀螺质点因此受到的哥氏力为：2()crFmv=?微机械陀螺的基本原理就是：微机械陀螺的基本原理就是：利用单晶硅或多晶硅制成振动质量，在被基座带动旋转时产生的哥式效应测量旋转角速度。微机械100g加速度计基本原理基本原理惯性技术实验室惯性技术实验室 33 1990年,Systron-Donner开始最初的石英速率陀螺的生产，用于 USAF Maverick 导弹。90年代中期，MEMS技术开始被用于制造低成本、能批量生产的方位速率陀螺。这些陀螺1997年最先用在卡迪拉克汽车上。到2000年以前，每天有超过10000个MEMS速率陀螺被生产出来，主要用于稳定平台。一些高精度的仪表开始用于制导弹药。发展简史发展简史 MEMS(Microelectromechanical Systems)系统的优势 MEMS(Microelectromechanical Systems)系统的优势 基于 ME MS 技术、低成本的系统将给导航技术在商业、消费及军事上的应用带来巨大变化 ME MS 的优势:由于可以大批量生产而 带来的低成本 体积小、功耗低 全固态，可靠性好MEMS将带给我们:在一些过去被认为导航技术难以企及 的领域实现导航与制导 数十亿计的巨大需求典型的MEMS传感器惯性技术实验室惯性技术实验室 44 现在ME MS 技术是否达到了上述要求？现在ME MS 技术是否达到了上述要求？答案是：还没有！但是技术上的突破迫在眉睫 商业领域:已经有数百万计的订货需求 政府和军队:正在积极推动ME MS 技术的发展，ME MS 系统的性能不断提高消费者:正迫切地等着体积和价格下降 现在ME MS 传感器的性能如何?陀螺仪:1/s-10/hr(温度补偿后)加速度计:100 mg-50 g(温度补偿后)MEMS INS:10/hr,1 mg(温度补偿后)现在的MEMS INS能干什么?很多应用-但是大多数需要外部辅助惯性技术实验室惯性技术实验室 5 5 基于MEMS的INS/GPS基于MEMS的INS/GPS32.521.510.50020406080100120140160CEP(meters)Time After Jamming(seconds)10 nmi/h10 nmi/h1 nmi/h1 nmi/hError Free GravityDeflections OnlyError Free GravityDeflections Only0.2 nmi/h0.2 nmi/h(All in View)(Vehicle Speed 207 mps)(All in View)(Vehicle Speed 207 mps)MEMS 惯导系统和GPS 是天生的一对 恰好弥补了对方的不足 低成本的MEMS 惯导与GPS 深组合将大大提高G P S 的抗干扰性能，同时保持低廉的价格惯性技术实验室惯性技术实验室 6 6 MEMS的竞争者MEMS的竞争者FibersenseERGM IFOG(IOEM)LN 2000 IFOG/MEMS accelerometer market-thousandsSystron-Donner Quartz 8000 gyros per day 40%of auto-mobile market DQI,C-MIGITSRef.BennettRef.BennettHoneywell HG 1700 RLG system market-thousandsKVH RA400 IFOG market-thousands惯性技术实验室惯性技术实验室 7 7 MEMS的主要研究机构和供应商MEMS的主要研究机构和供应商国际上ME MS 技术在激烈竞争中快速发展 Endevco Crossbow Sandia LITEF(Germany)Silicon Designs IC Sensors VTE Hamlin(Finland)Bosch(Germany)HSG-IMIT,Germany(oscillating gyro)Samsung(Korea)Many universities in US,Asia,Europe Others Draper Honeywell BA Systems(UK)/Sumitomo(Japan)GM/U.Michigan CSEM Analog Devices JPL Kearfott-MVBM Motorola Hughes Research Lab L-3(formerly Sundstrand)-?SCIRAS Litton Panasonic(Japan)惯性技术实验室惯性技术实验室 88B A E 的硅微振动陀螺仪(SiVSG)B A E 的硅微振动陀螺仪(SiVSG)BAE研究和制造硅微陀螺仪已有1 5 年历史，从1 9 9 9 年开始，按照3 个阶段发展基于ME MS 的组合导航系统 1 商业原型样机用于验证，采用松组合，已经完成。2 3 0-5 0 立方英寸，采用P 码，紧组合。正在进行。惯性技术实验室惯性技术实验室 993 6-8 立方英寸，能够承受火炮时发射的加速度。2000年在实验中达到的指标为1 0 度/小时，2 mg。采用的硅微陀螺5 0 0-1 0 0 0 度/小时，加速度计1 0 0 mg振动轮式陀螺仪振动轮式陀螺仪振动质量静电 梳状驱动固定Vibrating wheel gyrocourtesy of Draper Laboratory 研究并采用轮式结构的有：Draper,Bosch,UC Berkeley,和 HSG-IMIT 惯性技术实验室惯性技术实验室 1 0 1 0BOSCH 的陀螺 硅结构电磁DArsonval 驱动 振动框架 现在正投入量产并用于汽车工业From Transducers 97惯性技术实验室惯性技术实验室 1 1 1 1 J P L 苜蓿叶形的硅微谐振陀螺正在开发，用于空间飞行器(Tang et al,Solid State Sensor&Actuator Workshop,June 1996)惯性技术实验室惯性技术实验室 1 21 2 1984年,开始研究MEMS惯性仪表。1987年第一个实现了用硅微陀螺测量角速率(1,0 0 0,0 0 0 度/h)。1994年，调音音叉陀螺达到1 （未补偿）的水平。硅微陀螺开始被用于导航与制导。1996年，第一个全硅微器件的IMU在ERGM（Extended Range Guided Munition）项目的中通过了火炮发射实验。1997年达到30和250目前水平大概是1 0-2 0 度/h 和5mg。/s?g/h?Draper 实验室的MEMSDraper 实验室的MEMS19971st generation19982nd generation19993rd generation1 inch1 inchGyroscopesAccelerometersFigure 4.MEMS single-axis instrument progression.Dr a p e r 实验室的ME MSDr a p e r 实验室的ME MS已经成功得到验证的应用领域 汽车 生物医学中的前庭平衡 航天飞机 灵巧炮弹（INS/GPS）ERGM -INS/GPSF-16为 WCMD 项目进行的飞行试验(MEMS HG 1700)PGMM g-survivability (INS)反坦克导弹 (accels only)惯性技术实验室惯性技术实验室 1 3 1 3 MEMS 加速度计已经有成熟的生产线，产品用于汽车 性能指标10 到 50 mg.主要的安全气囊传感器供应商每年生产数以百万计的传感器A n a l o g D e v i c eBeam with piezoresistors 生产汽车安全气囊传感器产量每年超过1 百万EG&G IC Sensors惯性技术实验室惯性技术实验室 1 41 4 玻璃基底上的单晶硅 电容读出 1985年开始生产压力传感器及加速度计 VTE HamlinSilicon Designs Inc.注册于 TRW 和Ford公司 小量生产，包括电路 单价7 5 美元惯性技术实验室惯性技术实验室 1 51 5MEMS 多传感器集成Kearfott公司的 MVBM1/hr,300 g(in development)L-3 SCIRAS军方的 Excalibur 项目-INS/GPS 组合，用于灵巧炮弹(15,500 g)惯性技术实验室惯性技术实验室 1 61 6 在汽车工业的应用可以而采取多个冗余传感器配置以提高安全性和可靠性用于控制系统，提高稳定性和舒适程度以及保持距离1 deg/s 1-50 mg汽车导航可以得到很多其他传感器的辅助，因此不需要精度很高的陀螺 1 deg/s 偏航角速率陀螺+GPS,里程计/速度计，方向盘角度传感器 以及地图匹配1 mg 的加速度计（爬坡）非常大的市场-每年要生产5 0 0 0 万辆各种车辆Panasonic,日本-每年2 0 0 百万套汽车导航系统(压电晶体式陀螺)British Aerospace/Sumitamo-每年7 0 0 万只陀螺Systron Donner-200万只陀螺其他还有很多 最重要的是MEMS的低价格惯性技术实验室惯性技术实验室 1 7 1 7 农业方面自动耕作的拖拉机速度4 mph定位精度 2 cm姿态精度 0.1 degree路径跟踪 1 mile误差 1 英尺4 天线的 DGPS,滚动陀螺,加速度计,里程计MEMS的 INS/GPS+里程计组合惯性技术实验室惯性技术实验室 1 81 8 使用ME MS 的灵巧弹药使用ME MS 的灵巧弹药穿甲弹80,000 gJDAM1,000,000 IMU system power:1 W IMU system volume:10 to 1 in3 Shock survival:50,000 g Operating temperature:-55 to+85 C IMU system cost:$1000 相关的其他传感器相关的其他传感器FSS LayersFSS LayersOptical MEMS SwitchesOptical MEMS SwitchesShorting PostsShorting PostsPhotonic Bandgap MaterialsPhotonic Bandgap MaterialsRADAR,ESM,COMMRADAR,ESM,COMMMEMS ESA ANTENNAMEMS ESA ANTENNAMEM-tenna惯性技术实验室惯性技术实验室 3 5 3 5 (一种使用ME MS 开关的主动毫米波系统)(基于ME M的低成本,轻型相-阵天线技术)E S M(E l e c t r o n i c S u p p o r t Me a s u r e s)单板多传感器I MU 芯片展望展望 MEMS惯性仪表将使得惯性技术进入更多的应用领域从而改变导航技术的面貌 技术上仍然存在障碍，但是发展的前景良好 前提是更多的投入 最终更有意义的是制造集成的 I MU 而不是生产单一的传感器 下一代的ME MS 仪表在性能上将有大的提高(500美元的 INS/GPS)系统 高性能高过载全数字 INS芯片惯性技术实验室惯性技术实验室 3 6 3 6关于在本实验室开展ME MS 研究的一些想法 ME MS 技术在军事上具有重大意义 是惯性仪表发展的重要方向 有巨大的市场需求.因此我们应该追踪这一技术,促进学科建设的全面发展为什么要开展这方面的研究目前 我们在这方面的研究还是空白 正在申请的课题可能会需要使用ME MS 惯性仪表方向 ME MS 惯性仪表的误差分析及补偿 ME MS 与GP S 的深组合(条件尚不具备)惯性技术实验室惯性技术实验室 谢谢!谢谢!