1、慣性導(dǎo)航傳感器（翻譯版）Neil M. BarbourCharles Stark Draper Laboratory (P-5286)Cambridge, MA 02139 USA目錄摘要：11簡介12慣性傳感器技術(shù)42.1光學(xué)陀螺52.1.1環(huán)形激光陀螺 （RLGs）52.1.2光纖陀螺（FOGs）72.1.3微型的光纖陀螺（MFOGs）92.1.4集成光學(xué)陀螺（IOG）112.2光學(xué)加速度計122.3半球諧振陀螺142.4MEMS慣性儀表152.4.1MEMS加速度計162.4.1.1基于位移的MEMS加速度計162.4.1.2MEMS諧振式加速度計192.4.1.3靜電懸浮式MEMS加速

2、度計202.4.2MEMS陀螺212.4.2.1MEMS振動梁陀螺儀222.4.2.2振動平面式MEMS陀螺232.4.2.3諧振環(huán)型陀螺252.4.2.4非傳統(tǒng)MEMS陀螺的發(fā)展262.4.3多軸陀螺和加速度計芯片272.5冷原子傳感器282.6未來展望30致謝：34摘要：在很多導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域，最重要的問題不是提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度/性能，而是在滿足性能需求的前提下來降低成本和減小體積。特別是小型導(dǎo)航傳感器的微小尺寸使得制導(dǎo)、導(dǎo)航、控制技術(shù)能夠應(yīng)用到以前認(rèn)為是不可能應(yīng)用的場合（例如炮彈、個人導(dǎo)航）。環(huán)形激光陀螺（RLGs）、光纖陀螺（FOGs）和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陀螺及加速度計這三大技術(shù)推動了

3、導(dǎo)航技術(shù)在軍事和商業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。這些技術(shù)幾乎在所有的高精度領(lǐng)域已經(jīng)取代了絕大部分的機(jī)械陀螺和許多的加速度計。由于機(jī)械陀螺是一種相當(dāng)成熟的技術(shù)，在此不再贅述。盡管光纖陀螺技術(shù)仍然在持續(xù)發(fā)展，但是環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺技術(shù)也已經(jīng)成熟了。我們可以基于光子晶體光纖的低損耗和它所提高的最小彎曲半徑極限來進(jìn)一步縮小光纖陀螺的體積，獲得很高的性能。半球形的諧振陀螺（HRG）技術(shù)也是一項成熟的技術(shù)，它在空間應(yīng)用中的利基市場已做過簡要的介紹。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)在在商業(yè)級水平得到了廣泛的應(yīng)用，并開始向著戰(zhàn)術(shù)性能水平邁進(jìn)。這些技術(shù)都是以使用科氏振動陀螺原理而進(jìn)行設(shè)計的各種類型的微機(jī)電系統(tǒng)陀螺為基礎(chǔ)的。然而它們（HRG

4、和MEMS）在戰(zhàn)術(shù)級別上的性能卻比不上環(huán)形激光陀螺（RLGs）和光纖陀螺（FOGs）。在慣性領(lǐng)域持續(xù)進(jìn)展的基礎(chǔ)上，光纖陀螺、微機(jī)電系統(tǒng)陀螺和加速度計這些領(lǐng)域也隨之獲得了技術(shù)上的發(fā)展。由于MEMS技術(shù)仍然是一個非常活躍的研發(fā)領(lǐng)域，本文將重點放在MEMS傳感器的設(shè)計和性能方面。以冷原子干涉為基礎(chǔ)的相關(guān)新技術(shù)也將進(jìn)行簡要的介紹。最后，本文后對各種傳感器技術(shù)的未來發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行了預(yù)測。1 簡介制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制學(xué)科已經(jīng)發(fā)展了100多年，在這期間獲得了許多激動人心的發(fā)展，特別是在導(dǎo)航傳感器領(lǐng)域【參考文獻(xiàn)1-18】。今天，想要全面理解導(dǎo)航傳感器這個領(lǐng)域，就必須掌握廣泛的科學(xué)知識，例如機(jī)械工程、電子學(xué)、光電、

5、原子物理等。我們通常基于某些特定的性能參數(shù)來對傳感器進(jìn)行比較，例如偏壓、標(biāo)度系數(shù)穩(wěn)定性和重復(fù)性，或者噪聲（例如隨機(jī)游走）等。選擇傳感器是個困難的過程，事實上，在性能相當(dāng)?shù)那闆r下，不同的傳感器技術(shù)總有許多這樣或者那樣的缺點。由于幾乎所有的新應(yīng)用都是捷聯(lián)式（而不是平臺式），這就對陀螺儀提出了更高的需求（特別是陀螺標(biāo)度系數(shù)的穩(wěn)定性、很大的角速率、很低的g敏感度，高帶寬）。在許多應(yīng)用中，關(guān)鍵問題不是提高精度/性能，而是在滿足性能要求的情況下降低成本、減小體積。特別是傳感器的微型尺寸使得GNC技術(shù)能夠應(yīng)用到以前認(rèn)為不可能應(yīng)用的場合（如炮彈、30mm口徑的子彈），諸多這些新型的應(yīng)用需要以更低的價格來獲得更

6、多數(shù)量的傳感器。慣性傳感器（陀螺儀或者加速度計）的輸出隨時間漂移的現(xiàn)象意味著僅僅依靠慣性傳感器只能獲得有限的導(dǎo)航精度。因此各種輔助/增強(qiáng)型傳感器被引入到慣性系統(tǒng)中，例如全球定位系統(tǒng)（GPS）、測速儀、導(dǎo)引頭、星敏感器、磁力計、激光雷達(dá)等等。GPS輔助導(dǎo)航的廣泛應(yīng)用使得我們可以使用性能更低的慣性傳感器來得到所需要的導(dǎo)航系統(tǒng)。然而GPS也不是任何情況下都可以使用的（例如來自城市環(huán)境的干擾，在室內(nèi)、隧道、山洞內(nèi)不可用，不能夠足夠快的獲取目標(biāo)信息（例如飛行時間很短的武器），這些缺點意味著其他的導(dǎo)航傳感器仍然是必要的。決定采取哪種系統(tǒng)構(gòu)架的關(guān)鍵因素在于完成任務(wù)所需的成本，這里的成本不僅僅包括產(chǎn)品的購置成

7、本，還包括它在壽命周期內(nèi)的成本。一些應(yīng)用場合對于尺寸和功耗的要求極其苛刻，以至于并非所有的慣性技術(shù)都能勝任。慣性傳感器提供了一個大范圍的準(zhǔn)確度，它在進(jìn)行傳感器精度等級選擇（即看傳感器的哪一級精度最適合要求）的時候變得有用。如下表Table 1所示。很明顯，在實際應(yīng)用中還有一些其他的性能參數(shù)可能需要考慮，例如噪聲（隨機(jī)游走）。Table 1: 慣性傳感器應(yīng)用等級應(yīng)用等級陀螺性能加速度及性能用戶/商業(yè)>1 deg/s>50 mg戰(zhàn)術(shù)1 deg/h1 mg導(dǎo)航0.01 deg/h25 µg戰(zhàn)略0.001 deg/h1 µg近年來，環(huán)形激光陀螺（興起于1975年）、光纖

8、陀螺（興起于1985年）、微機(jī)電系統(tǒng)（興起于1995年），這三項慣性傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)推進(jìn)了慣性技術(shù)在軍事領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。由于RLGs擁有著極好的標(biāo)度系數(shù)穩(wěn)定性和可以忽略的g敏感度，使得許多新型軍事任務(wù)成為可能。FOGs已經(jīng)發(fā)展成為一種成本更低、可用來替換RLGs的技術(shù)，和RLGs技術(shù)一樣，在類似的任務(wù)和系統(tǒng)應(yīng)用中得到應(yīng)用。對于微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而言，MEMS慣性傳感器則是一項核心的促成技術(shù)。MEMS技術(shù)為慣性導(dǎo)航創(chuàng)造了一個新的市場，即制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)武器和其他一些新興的微型整合GPS應(yīng)用例如私人導(dǎo)航器。下面圖表1展示了導(dǎo)航技術(shù)在過去一個世紀(jì)的應(yīng)用概況。本文論述了各種各樣的正在發(fā)展中的陀螺儀和加

9、速度計技術(shù)的進(jìn)展情況。由于MEMS技術(shù)仍然是一個非常活躍的研發(fā)領(lǐng)域，本文將著重論述其設(shè)計和性能。2 慣性傳感器技術(shù)環(huán)形激光陀螺（RLG）能夠躋身于由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺（如速率陀螺、單自由度積分陀螺（DOF）、動態(tài)調(diào)諧（或者干調(diào)諧）陀螺）所主導(dǎo)的市場，其原因在于：環(huán)形激光陀螺是一種能夠?qū)崿F(xiàn)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的理想傳感器，能夠適用于高動態(tài)的軍事應(yīng)用領(lǐng)域。而光纖陀螺則主要是作為環(huán)形激光陀螺的一種低成本代替品而發(fā)展起來的，這寄望于通訊工業(yè)技術(shù)的發(fā)展所產(chǎn)生的杠桿作用。現(xiàn)在光纖陀螺在性能和成本方面已經(jīng)能夠與激光陀螺相媲美，在很多軍事、商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域非常具有競爭力。然而，光纖陀螺除了擁有降低成本的潛力之外，它并沒有催生出

10、任何新型的軍事能力并以此來超越激光陀螺已獲得的那些成就。以激光陀螺和光纖陀螺為核心的高性能導(dǎo)航級（0.01°/hr，25ug）慣性測量單元（IMUs）依然昂貴（超過5萬美元），而且體積也相對較大（大于100立方英寸）。減小體積，降低成本的努力催進(jìn)了短光程激光陀螺和短光纖的光纖陀螺的出現(xiàn)，這使其有可能在諸如制導(dǎo)炸彈（如聯(lián)合直接攻擊炸彈（JDAM）、無人機(jī)（UAVs）（如“掠食者”）之類的新型軍事領(lǐng)域中得到應(yīng)用。但無論如何，對于所有的光學(xué)陀螺而言，盡管體積的顯著減小會降低成本，但是同時也必然會導(dǎo)致其性能的降低，因此這類IMUs主要是處于戰(zhàn)術(shù)級水平。MEMS能夠提供低成本、小體積的導(dǎo)航系統(tǒng)

11、，這種潛在的可能性已經(jīng)促使人們建立起了一個面向消費(fèi)/商業(yè)和戰(zhàn)術(shù)級別應(yīng)用的全球性的研制計劃。當(dāng)前可以利用的最好的MEMS IMUs大概是5到20deg/h，1 mg的性能水平，但是仍然沒有達(dá)到真正的戰(zhàn)術(shù)級別的性能。MEMS IMUs和傳感器正躋身于目前由戰(zhàn)術(shù)級別的FOGs和RLGs所主導(dǎo)的市場，同時也在進(jìn)入那些要求小尺寸和低成本的市場。2.1 光學(xué)陀螺2.1.1 環(huán)形激光陀螺 （RLGs）盡管第一臺環(huán)型激光陀螺在1963年就以一種方形的結(jié)構(gòu)展示出來了，但直到20世紀(jì)70年代末、80年代初，它才被廣泛應(yīng)用于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置。環(huán)型激光陀螺是一束激光通過一個由3面或者4面鏡子組成的里面充滿氣體的光學(xué)共

12、振器同時朝著順時針（cw）和逆時針方向（ccw）傳播光束。圖2是一個3鏡環(huán)型激光陀螺的原理圖。環(huán)形激光器有非常好的標(biāo)度系數(shù)穩(wěn)定性和線性度、對加速度的敏感度可以忽略、數(shù)字輸出、快速啟動、貯存后的穩(wěn)定性、重復(fù)性好，沒有運(yùn)動部件。此外，環(huán)形激光陀螺在溫變條件下的性能變化重復(fù)性非常好，這使得溫度補(bǔ)償算法能夠有效地消除其溫度敏感誤差。在捷聯(lián)系統(tǒng)中，它比旋轉(zhuǎn)質(zhì)量陀螺更有優(yōu)勢，也是高動態(tài)環(huán)境下理想的慣性儀表。環(huán)形激光陀螺是開環(huán)積分陀螺，即它輸出的是角度的增量，但在設(shè)定的時間周期進(jìn)行采樣也可獲得角速率信息。當(dāng)輸入角速率非常低的時候，環(huán)形激光陀螺鏡面的反向散射使得兩條反向激光束以相同的頻率振蕩，即出現(xiàn)所謂的“閉

13、鎖”現(xiàn)象。利用壓電驅(qū)動器使環(huán)形激光陀螺以幾百赫茲的頻率繞其輸入軸進(jìn)行高頻脈動可以引入一個固有的頻率偏值，這樣就可以克服“閉鎖”。“閉鎖”現(xiàn)象也可以通過彎曲的光路和法拉第或者塞曼旋轉(zhuǎn)器共同作用來提供一個四束復(fù)合振蕩器來加以解決。 環(huán)型激光陀螺和環(huán)形激光陀螺系統(tǒng)可以從眾多的制造商那里獲得。例如Kearfott、Honeywell、Northrop Grumman、L-3 Communications、Thales (法國)、Sagem (法國)、iMAR（德國）、Astrophysika (俄羅斯)等等這些公司。Honeywell公司以GG1320環(huán)形激光陀螺為基礎(chǔ)生產(chǎn)的H-764G GPS/IN

14、S組合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度可達(dá)1nmile/hr，這種導(dǎo)航器已經(jīng)裝備在50多種不同飛行器上。很多船用導(dǎo)航系統(tǒng)如今都使用以激光陀螺為基礎(chǔ)的導(dǎo)航器（例如Sperry Marine/Northrop Grumman 公司的MK 39或者Honeywell公司的MK 45）。Northrop Grumman公司名為“”（或者“Zero-”激光陀螺）的零閉鎖激光陀螺是一種利用法拉第旋轉(zhuǎn)器和彎曲光路實現(xiàn)四束復(fù)合振蕩器的四鏡面裝置，因此實際上包含了兩個激光陀螺，它們共用同一條光路，這可以降低角度隨機(jī)游走（ARW）的不確定性。被應(yīng)用于Northrop Grumman公司的LN100G導(dǎo)航系統(tǒng)中。導(dǎo)航質(zhì)量激光陀螺系

15、統(tǒng)大約有500立方英寸（8200立方厘米）。減小體積，降低成本的努力催進(jìn)了短光程環(huán)形激光陀螺的發(fā)展，例如Honeywell公司的1308 and Kearfott公司的 Monolithic RLG (MRLG)，它們都在戰(zhàn)術(shù)級的場合得到廣泛的應(yīng)用。再比如，在JDAM中使用的HG1700 包含3個1308型的環(huán)形激光陀螺。Kearfott公司的MRLG系統(tǒng)由3個環(huán)形激光陀螺整體構(gòu)成，以此來減小體積；T-10型三軸型激光陀螺的體積大約僅為高爾夫球那么大。戰(zhàn)術(shù)級激光陀螺的慣性測量單元大約為40立方英寸（650立方厘米）。環(huán)形激光陀螺是一項成熟的技術(shù)，目前努力的主要方向是持續(xù)的降低成本，而并非在于獲

16、得更高的性能。人們也試圖將激光陀螺集成在一塊芯片上，但是其性能估計難以超越戰(zhàn)術(shù)級水平。小型化工作的一個例子就是正在研究中的半導(dǎo)體環(huán)形激光陀螺，其直徑為3mm。Thales公司（法國）同樣也在研究一種小型的環(huán)形激光陀螺。一般來說，微型環(huán)形激光陀螺的主要應(yīng)用將仍然只是在戰(zhàn)術(shù)級領(lǐng)域，因此，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的慣性測量單元（IMU）最終將會成為該領(lǐng)域的主流。2.1.2 光纖陀螺（FOGs）光纖陀螺的研發(fā)工作始于20世紀(jì)70年代。其研發(fā)的動力在于：相比于激光陀螺，光纖陀螺價格會更便宜一些、制造容易些，而且精度有可能更高。1976年，猶他州立大學(xué)檢測到了光束在沿著光纖線圈順時針、逆時針方向傳播時的干涉

17、圖案（即Sagnac效應(yīng)），光纖陀螺的可行性從而得到了驗證。光纖陀螺有時會因為它們基于光干涉的示值讀數(shù)而被稱為干涉型的纖維光學(xué)陀螺（IFOGs）。光纖陀螺的光路是沿著光纖繞制的線圈，代替了環(huán)形激光陀螺的鏡面和光學(xué)腔（如圖3所示）。光纖陀螺（也稱為干涉型光纖陀螺）采用外部寬帶光源（如高亮度發(fā)光二級管或者參雜質(zhì)的光纖光源），光源產(chǎn)生的光束進(jìn)入長度在100m到3000m的光纖繞制的光纖環(huán)內(nèi)后，經(jīng)過功率分配器進(jìn)入集成光學(xué)電路（IOC）后被分成兩束傳播方向相反的光束，沿著光纖線圈返回后被再度合成。重新合成后的光束然后射向光學(xué)探測器。與環(huán)形激光陀螺不同，開環(huán)光纖陀螺不是積分陀螺，探測器輸出的相位角與輸入的

18、角速率成比例。但是在探測器和集成光學(xué)電路頻移器之間增加一個反饋環(huán)節(jié)后，光纖陀螺就能以積分陀螺的方式工作。反饋環(huán)節(jié)通過改變進(jìn)入到光纖線圈內(nèi)的光束的頻率使得探測器的讀數(shù)為零，此時光纖陀螺工作在閉環(huán)狀態(tài)，只要反饋速度快于光纖環(huán)傳輸時間，從反饋端測量到的頻移就與輸入角速率成正比。和環(huán)形激光陀螺相比較而言，光纖陀螺有以下優(yōu)點：光源不需要高壓；寬頻帶光源可以防止反向散射，使得在低角速率輸入條件下不會有“閉鎖”；有降低成本和減輕重量的潛能。光纖陀螺的一個獨(dú)到之處就是可以調(diào)整其性能高低。例如，將光纖長度增加一倍就能將角度隨機(jī)游走降低一半。然而，與環(huán)形激光陀螺不同的是，開環(huán)干涉型光纖陀螺動態(tài)范圍有限，標(biāo)度系數(shù)的

19、穩(wěn)定性也一般，因此在大多數(shù)應(yīng)用場合，閉環(huán)模式更受歡迎。開環(huán)光纖陀螺在低成本的視線穩(wěn)定性方面得到應(yīng)用【參考19】。光纖陀螺在產(chǎn)量方面尚未超越環(huán)形激光陀螺，這在一定程度上是由于存在著大量以環(huán)形激光陀螺為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)設(shè)施。然而，即便如此，光纖陀螺仍舊在不斷擴(kuò)大市場，而且在所有低端領(lǐng)域都有所應(yīng)用。例如水下無人運(yùn)載器（UUVs）、無人飛行器（UAVs）、魚雷、截?fù)魴C(jī)、相機(jī)和天線的穩(wěn)定、陸用導(dǎo)航、姿態(tài)及航向基準(zhǔn)系統(tǒng)（AHRS）、陀螺羅盤以及石油鉆探等。有很多制造商都在制造光纖陀螺儀和光纖陀螺慣性測量單元，例如KVH、Honeywell、Northrop Grumman（Litton）、LITEF（德國

20、）、Photonetics（法國）、JAE（日本）等。在戰(zhàn)術(shù)級領(lǐng)域，Northrop Grumman公司的LN200系列IMU可能最廣為人知，其中的許多IMU還采用硅加速度計。作為適用于空間應(yīng)用的一個系列，LN200S已經(jīng)被用在火星探測器上。迄今為止，Northrop Grumman公司生產(chǎn)的戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺已經(jīng)超過50000個。此外，Northrop Grumman公司還生產(chǎn)了用于飛機(jī)導(dǎo)航的導(dǎo)航級光纖陀螺IMU，即LN250。光纖陀螺儀仍可獲得極高的性能【參考文獻(xiàn)20，21】，這使得它們能夠適用于精確的瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、天線、以及潛艇的導(dǎo)航和戰(zhàn)略導(dǎo)彈的制導(dǎo)。低性能的光纖陀螺其線圈直徑約

21、為2英寸（50mm），而高性能的光纖陀螺其線圈直徑大約為3英寸（75mm）甚至更大。從性能和尺寸大小來看，光纖陀螺技術(shù)已經(jīng)是一種可以和環(huán)形激光陀螺技術(shù)相抗衡的成熟技術(shù)（參考文獻(xiàn)21-26）。然而，固態(tài)光學(xué)和纖維技術(shù)的持續(xù)發(fā)展有可能潛在的促進(jìn)以微型的設(shè)計來獲得高性能。光子晶體光纖（PCFs）的發(fā)展正在為通信行業(yè)服務(wù)，同時它也為慣性傳感器行業(yè)帶來了很多便利。與傳統(tǒng)的光學(xué)纖維相比，PCF在彎曲半徑減小的條件下仍然保持著極好的限制光能量的模式，這使得制造更小直徑（大約2.5cm）的光纖陀螺感應(yīng)線圈成為可能。PCF同樣也可以用于將光學(xué)環(huán)形諧振器進(jìn)一步微型化，以適應(yīng)諧振式光纖陀螺的發(fā)展需要。這些技術(shù)將在下

22、面進(jìn)行介紹。2.1.3 微型的光纖陀螺（MFOGs）微型光纖陀螺（MFOGs）的發(fā)展得益于近年來通訊領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，光子晶體光纖技術(shù)（PCF）作為其中之一，有潛力成為研制下一代光纖陀螺的促成技術(shù)。光子晶體光纖有一些至關(guān)重要的優(yōu)點適用于干涉型光纖陀螺：（1）嚴(yán)格的模限制使得彎曲損失要小于傳統(tǒng)的光纖，而對于干涉型光纖陀螺而言，限制光纖線圈直徑的主要因素就是彎曲損失和光纖尺寸。（2）由于包覆層直徑要小于傳統(tǒng)光纖的直徑，這使得我們可以將光纖封裝的更加緊湊，從而得到更小的光纖圈。（3）可以通過在光子晶體光纖中加入色散補(bǔ)償來降低頻譜失真度。（4）光在空心的光子帶隙光纖中傳導(dǎo)，就為利用中紅外光譜光提

23、供了可能。幾個供應(yīng)商提供光子晶體光纖，例如NKT Photonics公司（丹麥）、Coming公司（美國）、OFS公司、Blaze Photonics公司等等。最新的報道表明，至今為止，損耗最低的是Coming公司生產(chǎn)的1.5um光子帶隙光纖，其損耗是13dB/km；以及1.55um的硅引導(dǎo)多孔光纖，其損耗是0.58dB/km。圖表4展示了幾個光子晶體光纖的例子和預(yù)期改進(jìn)的最小彎曲半徑。該圖還展示了OFS實驗室光纖【參考文獻(xiàn)27】的外形結(jié)構(gòu)：孔洞的直徑和空間上的分布使得光纖總是單模的，結(jié)果是降低了相對強(qiáng)度噪聲（RIN）。參考文獻(xiàn)27給出了Draper實驗室一個開環(huán)光子晶體光纖陀螺在試驗臺上的測

24、試數(shù)據(jù)，它的光纖環(huán)由OFS實驗室提供的實心PCF繞制而成，光纖環(huán)的長度和直徑乘積為2.9km。它測量地球自轉(zhuǎn)角速率的誤差小于0.02deg/h，隨機(jī)游走為0.01deg/。另外一種適用于光纖陀螺小型化的技術(shù)研究出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，但一直沒有完善和突破。這就是諧振光纖陀螺，該陀螺采用非常短的，正、反向線偏振光束保持在諧振狀態(tài)的光纖。這需要帶寬很窄的光源和低損耗的光纖。諧振式光纖陀螺有潛力獲得和干涉型光纖陀螺相當(dāng)?shù)男阅埽饫w環(huán)的長度能縮短100倍。參考文獻(xiàn)28提出了一種空心光纖（光子帶隙光纖）式諧振光纖陀螺的概念，這有可能克服過去的存在的性能障礙。空心光纖環(huán)形諧振器的實驗測試數(shù)據(jù)表明：該諧振

25、損耗非常低、有穩(wěn)定的諧振峰、溫度敏感性很低。對于采用這種諧振光纖陀螺的性能預(yù)測是：由10m的光纖制作的直徑為10mm的光纖環(huán)，其隨即游走為0.001deg/。光纖陀螺小型化的另一方面是研發(fā)出了可集成光源、檢測器和調(diào)制器的集成光學(xué)芯片。然而，這必須要解決反向散射和殘余亮度調(diào)制的問題。集成光學(xué)和先進(jìn)纖維的結(jié)合是邁向終極微型光學(xué)陀螺（也就是集成光學(xué)陀螺）的一步。2.1.4 集成光學(xué)陀螺（IOG）諧振式光纖陀螺的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于集成光學(xué)陀螺（或者是在一塊芯片上的光學(xué)陀螺），這一誘人的的想法在慣性傳感器實驗室存在很多年了。集成光學(xué)陀螺是一種基于Sagnac效應(yīng)的光波導(dǎo)陀螺，其兩束傳播方向相反的光不是在光纖

26、中而是在波導(dǎo)環(huán)形諧振器中傳播。通過檢測諧振點的相對位置就可以測出繞垂直于環(huán)形諧振器所在平面的軸線的旋轉(zhuǎn)速率。集成光學(xué)陀螺制作在晶片上，集微機(jī)電系統(tǒng)加工工藝與集成光學(xué)加工工藝于一體。圖5是一個將所有部件都集成在芯片上的集成光學(xué)陀螺的原理圖，同時也是光波導(dǎo)的特寫。獲得導(dǎo)航級性能敏感器的關(guān)鍵技術(shù)之一就是制作損耗低于0.001dB/cm的光波導(dǎo)。 目前最先進(jìn)的半成熟的光波導(dǎo)諧振器的損耗仍然要高于兩個數(shù)量級。人們還在不斷地努力利用減速光的特點來制作超靈敏的光學(xué)陀螺【參考文獻(xiàn)29,30】，但仍然還處于基礎(chǔ)研究水平。當(dāng)前光纖陀螺的大部分花銷用于購買元件和許多的尾纖連接組件。平面光波導(dǎo)材料可以取代21種元件，

27、顯著地降低了成本。集成光纖陀螺的體積預(yù)計在0.2立方英寸（3.25立方厘米）以內(nèi)，功耗在0.25w左右。集成光學(xué)陀螺當(dāng)前的目標(biāo)是滿足環(huán)形激光陀螺、光纖陀螺、和微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的需求。然而，即便是滿足商業(yè)級應(yīng)用的集成光學(xué)陀螺還需要再等幾年才有可能出現(xiàn)。2.2 光學(xué)加速度計光學(xué)加速度計就是在物理結(jié)構(gòu)上根據(jù)加速度的影響而產(chǎn)生的光學(xué)讀數(shù)來制作的一種加速度計。盡管光讀出具有非常高的靈敏度，但是光學(xué)加速度計的性能并不是受讀出所限，所以它還沒有找到一個合適的位置。目前還沒有哪項技術(shù)被認(rèn)為可以實現(xiàn)軍事應(yīng)用。利用光學(xué)微球測量加速度的儀表已經(jīng)表明：當(dāng)光學(xué)諧振器向波導(dǎo)運(yùn)動時，耦合進(jìn)入光學(xué)諧振微球的光就會發(fā)生變化并

28、被檢測到。在MEMS儀表中進(jìn)行集成光讀出有過多次嘗試，且獲得不同程度的成功。有關(guān)光纖光學(xué)加速度計和光纖布拉格光柵（FBG）加速度計的研究工作還在進(jìn)行（參考文獻(xiàn)31-32）。光讀出的優(yōu)勢只有在需要分辨納米級g的加速度時才有可能比較明顯，它可用于探測由于地震引起的擾動及重力梯度。這也意味著加速度計其他組件的噪聲必須很低。參考文獻(xiàn)33描述了一種新穎的加速度計，它將一個法布里-珀羅干涉儀和一個光電二極管集成為整體。Lumedyne Technologies公司正將它推向市場。光壓加速度計（LFA）則是一種基于絕緣粒子檢測質(zhì)量激光懸浮技術(shù)的新穎裝置。這個基本概念早在30年前就被提出了，但直到最近，在通訊

29、業(yè)的發(fā)展驅(qū)動下LFA技術(shù)才得以發(fā)展。光壓加速度計方案有幾個固有優(yōu)勢：這是一種閉環(huán)方案，對于慣性輸入的線性度非常好；噪聲特別低，靈敏度高。圖6簡要描述了光壓加速度計的原理：通過激光束將絕緣粒子懸浮至與加速度方向相反的方向，用一個敏感器（例如分光探測器）來觀察粒子沿著激光光束軸向的位置。當(dāng)沿著激光束軸向的加速度發(fā)生變化時，光壓加速度計就會改變激光的強(qiáng)度來維持粒子沿光束軸線的位置。激光強(qiáng)度與施加于粒子的加速度成比例。據(jù)估計，采用合理的工作參數(shù)，恒定的1g慣性輸入下，測量誤差10秒鐘的平滑值僅為5ng。這達(dá)到了GPS輔助高精度導(dǎo)航需求的性能水平，但這種技術(shù)還依然處于實驗室演示階段。2.3 半球諧振陀螺

30、（HRG）20世紀(jì)80年代，Delco公司（今天的Northrop Grumman公司Litton系統(tǒng)部）研發(fā)出的半球諧振陀螺（HRG）是一種高性能振動式陀螺，它的慣性敏感單元是一個包裹有金屬薄膜的熔融石英半球形殼體。環(huán)繞著殼體的靜電加力器在殼體的邊緣形成一個諧振駐波。當(dāng)陀螺繞其敏感軸轉(zhuǎn)動時，駐波圖案并不隨著殼的邊緣轉(zhuǎn)動，而是沿著與殼體旋轉(zhuǎn)的反向轉(zhuǎn)動一個恒定的角度，該角度為輸入角度的0.3倍。因此，通過電容式傳感器檢測到的諧振駐波位置變化與諧振器的運(yùn)動角速率成正比。在這種稱為“全角模式”工作下的半球諧振陀螺是一種積分式陀螺。半球諧振陀螺也可以在力平衡方式下工作，將駐波維持在一個特定位置作為速率

31、陀螺。在大動態(tài)范圍內(nèi)對標(biāo)度系數(shù)的穩(wěn)定性和線性度要求高的場合，全角模式將非常有用。力平衡模式則能為定向為操作提供非常高的角分辨率。半球諧振陀螺技術(shù)在法國和俄國同樣也得到開發(fā)。半球諧振陀螺的優(yōu)點有：質(zhì)量輕、緊湊、工作在真空條件下、沒有運(yùn)動部件等，因此它的平均壽命僅僅受限于電子器件，這使得壽命至少可達(dá)15年。半球諧振陀螺式一種高品質(zhì)的儀表，因此在電源被切斷后殼體的振動還能維持幾分鐘，這使它免受輻射和電磁干擾的影響，因為一旦恢復(fù)供電后，檢測裝置就能找到駐波圖案及其位置，它對加速度也基本不敏感。自從20世紀(jì)90年代中期在太空中初試鋒芒后，半球諧振陀螺就被應(yīng)用于許多航天器中，包括近地小行星探訪（NEAR）

32、宇宙飛船、卡西尼號土星探測任務(wù)等。圖7展示了一個裝有4個半球諧振陀螺的空間慣性參考單元，其中陀螺的半球殼體直徑為30mm。2.4 MEMS慣性儀表人們預(yù)計MEMS慣性儀表在新興的軍事和商業(yè)領(lǐng)域得到的應(yīng)用將不計其數(shù)。MEMS可能是至今最令人振奮的新型慣性傳感器技術(shù)，其發(fā)展源于世界范圍的共同努力【參考文獻(xiàn)34-37】。除了體積的縮小，MEMS技術(shù)還有易于批量生產(chǎn)、降低成本、降低功耗（電壓）、堅固耐用，在一定范圍內(nèi)的設(shè)計靈活性等一系列特點。然而減小敏感元件的尺寸給獲取良好的性能帶來了挑戰(zhàn)。一般來說，尺寸的減小會導(dǎo)致靈敏度（標(biāo)度系數(shù)）的降低、噪聲的增大以及驅(qū)動力的減小。目前MEMS慣性測量單元的性能一

33、直都受限于陀螺的性能【參考文獻(xiàn)38】而不是加速度計的性能，因為當(dāng)前陀螺的水平是530deg/h，而水平在10ug或者優(yōu)于10ug的加速度計已完成了演示。現(xiàn)在有很多供應(yīng)商提供商業(yè)級別的MEMS，其中許多是和GPS結(jié)合在一起的。然而，提供近戰(zhàn)術(shù)級別的全套微機(jī)電系統(tǒng)的供應(yīng)商卻很少。市場上可買到的精度在1deg/h左右和幾百ug的MEMS系統(tǒng)在過去的幾年前就已經(jīng)出現(xiàn)了，但至今仍沒有成為現(xiàn)實。一旦可得，MEMS系統(tǒng)將會在幾乎所有的應(yīng)用領(lǐng)域取代戰(zhàn)術(shù)級別的環(huán)形激光陀螺和干涉型光纖陀螺系統(tǒng)。2.4.1 MEMS加速度計MEMS加速度計主要通過兩種途徑測量加速度：（1）在加速度條件下，鉸鏈或者柔性支撐的實驗質(zhì)量

34、塊的位移會導(dǎo)致容性讀出或者壓電讀出發(fā)生改變；（2）由于實驗質(zhì)量塊的載荷引起元件張力改變，從而導(dǎo)致振動元件的頻率發(fā)生改變。前者包括眾所周知的擺式加速度計或者橫側(cè)位移加速度計，而后者則是常說的諧振式加速度計或者振動梁儀表（VBAs）。擺式類型的加速度計可滿足從戰(zhàn)術(shù)級到飛機(jī)導(dǎo)航級這一廣泛的性能需求。振動梁儀表或者諧振式加速度計則有潛力到達(dá)更高的精度。世界上很多類型的MEMS加速度計都是在高校、政府機(jī)構(gòu)和工業(yè)生產(chǎn)商那里進(jìn)行研制的。下面將提供一些MEMS加速度計的例子。2.4.1.1 基于位移的MEMS加速度計圖8展示了一種典型的非共面（Z軸）MEMS位移加速度計，其玻璃基片上扭簧所支撐的鉸鏈擺式實驗質(zhì)

35、量塊在承受垂直于敏感平面的加速度時就會發(fā)生轉(zhuǎn)動。利用絕緣基片上的電極，通過容性間隙的改變就可以檢測這種運(yùn)動。1g加速度下，質(zhì)量塊角度運(yùn)動的典型值約為70urad，也就是說引起的容性間隙改變約為3Xm時，對應(yīng)的電容變化峰值為1.2XF。為了得到15g100ug的動態(tài)范圍，必須分辨出3Xm的運(yùn)動，或者在每個載波周期內(nèi)檢測到質(zhì)量塊上約22.5個電子電荷的變化。Northrop Grumman公司的作為這種類型的加速度計中的杰出代表，其產(chǎn)量已超過了20000支。衍生出了兩類產(chǎn)品（戰(zhàn)術(shù)級產(chǎn)品和導(dǎo)航級產(chǎn)品）并被廣泛應(yīng)用，例如用于先進(jìn)中程空對空導(dǎo)彈（ARMAAM）、制導(dǎo)多火管火箭發(fā)射系統(tǒng)（GMLRS）以及C

36、ommanche直升機(jī)等。其他的開發(fā)商還有Honeywell、Colibrys、（瑞士）、Applied MEMS股份有限公司、Silicon Designs、Sherbome Sensors（英國）、Bosch（德國）以及很多其他商家。圖9展示了一種典型的共面（橫向式）加速度計，它通過梳狀齒元件之間的電容變化獲得檢測質(zhì)量塊的位移。這種加速度計對于水平面上（而不是垂直方向）的加速度有更高的敏感度。Z軸加速度計和橫向式加速度計的結(jié)合可以有效優(yōu)化系統(tǒng)體積，因為通過三個平面片器件就可以測量三個軸向的加速度。商業(yè)級水平共面加速度計中最具代表性的應(yīng)是Analog Devices公司的ADXL150和AD

37、XL250。后者測量的兩個軸向上的橫向加速度的噪聲下限為1mg/，其精度為10-50 mg。位移加速度計可以通過開環(huán)或者閉環(huán)來進(jìn)行操作。據(jù)報道，Colibrys【參考文獻(xiàn)39】已經(jīng)在RS9000系列的加速度計上獲得很高的性能，該系列在非共面加速度計和橫向加速度計上采用開環(huán)控制。兩種加速度計的器件全是用硅結(jié)構(gòu)，非共面性加速度計器件的懸臂式檢測質(zhì)量塊是夾在上級和下級電極之間的。據(jù)稱，其性能如下：工作時的偏壓穩(wěn)定性大約為120ug、1mg的開機(jī)重復(fù)性、400ppm的標(biāo)度系數(shù)精度和65ug/整流度。這個傳感器封裝體上集成了一個溫度傳感器和一套數(shù)字式專用集成電路，以此組成了車載四階溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。Coli

38、brys同樣也展示了【參考文獻(xiàn)40】一種積分型5階調(diào)節(jié)回路，它可以極大地提高線性度，因此在很大程度上降低了振動校正誤差（VRE）。 一項正處于發(fā)展階段的技術(shù)（休斯研究實驗室，斯坦福大學(xué)和其他一些機(jī)構(gòu)在進(jìn)行研究）是MEMS隧道式加速度計技術(shù)，該加速度計為Z軸型位移加速度計提供了靈敏度非常高的讀出。圖10（a）是這種加速度計的原理圖。控制電極通過靜電力使懸臂梁向隧道位置偏斜（偏斜小于1um，需要的電壓約為20V）。一個伺服機(jī)構(gòu)用于保持懸臂梁和隧道頂端（如圖10（b）示）之間的間隙不變，以此保持恒定的隧道電流（約1nA）。輸出信號是在加速度下電極上電壓的變化。這些儀表設(shè)計用于感受ng范圍的加速度，需

39、要低諧振頻率的質(zhì)量檢測快和分辨率優(yōu)于1埃（一億分之厘米）的讀出電路。當(dāng)前的微型隧道式加速度計在5Hz到1.5kHz【參考文獻(xiàn)4】范圍內(nèi)精度達(dá)到20ng/，閉環(huán)動態(tài)范圍為90dB。然而，如果沒有深入的持續(xù)改善工作，其最大加速度測量能力將非常低（約1mg）。中國的一種隧道式加速度計【參考文獻(xiàn)42】已經(jīng)表現(xiàn)出了它良好的低頻分辨率，在1Hz到100Hz的范圍內(nèi)可達(dá)到15ng/。2.4.1.2 MEMS諧振式加速度計諧振式加速度計涵蓋了通常的振梁式加速度計，可以是Z軸或者橫向式。諧振式加速度計通過檢測在質(zhì)量塊慣性載荷下梁式振蕩器諧振頻率的變化來敏感加速度，而不是測量質(zhì)量塊的位移。諧振頻率的變化可以通過容

40、性方式或者壓電式來測量。對于后者，壓電晶體諧振器經(jīng)過微型加工安裝（或者放置）在一個或者多個梁或者撓性構(gòu)件的高應(yīng)力區(qū)。在質(zhì)量檢測塊運(yùn)動的作用下，撓性構(gòu)件發(fā)生彎曲，其諧振頻率就會發(fā)生相應(yīng)的改變。壓電式的諧振式加速度計有：Systron Donner的石英振梁式加速度計（VQA）；Kearfott的硅微振梁式加速度計（MVBA）；Honeywell的硅微多軸加速度計（SiMMA）以及Onera的石英諧振微分慣性加速度計（DIVA）。Onera的石英諧振微分慣性加速度計特別值得關(guān)注，該加速度計通過一種有趣的機(jī)械隔離系統(tǒng)將振梁和安裝基座隔離開來，從而使得敏感元件不會受到石英與殼體材料熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的

41、熱應(yīng)力影響（參考文獻(xiàn)43）。據(jù)報道，其工作時的零偏穩(wěn)定性約為100ug。兩種精度很高的MEMS諧振式加速度計是Draper實驗室的硅振蕩器加速度計（SOA）和Honeywell的戰(zhàn)略級振梁式加速度計（SRBA）。SOA以容性方式測量頻率的變化，而且在單獨(dú)的實驗室測試條件下已表現(xiàn)出1ug，1ppm的性能【參考文獻(xiàn)44】。圖11（a）是SOA的這兩種產(chǎn)品的Allan方差曲線。二者的速度隨機(jī)游走率（減去½斜坡）都約為0.006ft/。圖11（b）是SOA的小尺寸（約1立方英寸）原理樣機(jī)。戰(zhàn)略級振梁式加速度計（SRBA）的壓電式頻率讀出來自于與確定的魯棒振蕩電路概念相結(jié)合的高純度單晶石英材料

42、。2.4.1.3 靜電懸浮式MEMS加速度計靜電懸浮質(zhì)量檢測塊不需要再去克服支撐機(jī)構(gòu)的彈性約束。理論上來說，這將獲得更高的敏感度，并能降低對制造公差的要求，有更大的靈活性來調(diào)節(jié)裝置的帶寬和靈敏度而不需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計。更重要的一個優(yōu)點是它擁有用一個裝置敏感多個軸向運(yùn)動的潛能，也就是說它們可以像共面性橫向位移加速度計或者非共面性Z軸加速度計那樣操作。該技術(shù)發(fā)展的最大障礙在于控制回路設(shè)計的復(fù)雜性。英國的南安普頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校的感測器和執(zhí)行器中心以及其他一些機(jī)構(gòu)正在研究一種采用磁盤懸浮式的方案。圖12（a）【來自參考文獻(xiàn)46】描述了南安普頓大學(xué)的一種磁盤懸浮式方案，該方案通過電容量的變

43、化來敏感磁盤的位移，通過閉環(huán)系統(tǒng)控制作用在磁盤上的靜電力。另外一種研究中的方案是采用懸浮式小球，日本的Ball Semiconductor公司、Tokinec公司、東北大學(xué)均進(jìn)行著此項技術(shù)研究。圖12（b）描述了一個直徑為1mm，質(zhì)量為1.2mg的電極支撐式球形質(zhì)量檢測塊。通過電容量來敏感小球的位置，通過閉環(huán)系統(tǒng)控制作用在小球上的靜電力來保持小秋的位置恒定。在MEMS制造過程中通過去除一層多晶硅，然后蝕刻外殼結(jié)構(gòu)就可以形成小球和外殼之間的間隙。基于懸浮式旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊的MEMS技術(shù)將可能制造出精度非常高的慣性敏感儀表。對于空間環(huán)境下的高性能微重力測量，儀表的最低噪聲值應(yīng)低于40ug/。2.4.2

44、MEMS陀螺對于慣性MEMS系統(tǒng)而言，獲得與加速度傳感器性能相當(dāng)?shù)耐勇莞y。科里奧利力是所有振動陀螺儀的基礎(chǔ)。從根本上說，如果一個質(zhì)量塊在一個平面內(nèi)按正弦方式振蕩，而該平面以某一角速度旋轉(zhuǎn)，那么科里奧利力就會使得質(zhì)量塊在垂直于該平面的方向上按正弦方式振蕩，其振幅與角速度成比例。通過對科氏誘導(dǎo)運(yùn)動的測量可以得到角速度的信息。這就是所有石英和硅制微機(jī)械科氏振動陀螺（CVGs）的基本原理。基礎(chǔ)的MEMSCVGs分為三個主要類別：振動梁式、振動平面式、環(huán)形諧振器式。現(xiàn)在世界上有很多可用的MEMS CVGs，也有許多正在研究中【參考文獻(xiàn)34-37，48】。如前所述，MEMS IMUs的性能仍然一直受到陀

45、螺的性能限制，目前所生產(chǎn)的性能在5-30deg/h。2.4.2.1 MEMS振動梁陀螺儀從1990年開始，Systron Donner公司在2年內(nèi)為美國空軍的“幼畜”（Maverick）空地導(dǎo)彈初產(chǎn)石英速率陀螺18000支。二十世紀(jì)90年代中期，該技術(shù)被應(yīng)用于大批量生產(chǎn)低成本的偏航角速率敏感器，并于1997年首次用于卡迪拉克轎車。圖13就是Systron Donner生產(chǎn)的著名的采用壓電驅(qū)動器和讀數(shù)的H行石英音叉陀螺，這些都是共面型的陀螺（也就是它們在音叉平面內(nèi)敏感速率）。到了2008年，每天已有超過40000支石英音叉陀螺問世，可承受高“g”值的產(chǎn)品則被應(yīng)用于精確制導(dǎo)武器。包含三個陀螺和三個

46、諧振加速度計的六自由度慣性測量系統(tǒng)，也被稱為數(shù)字石英慣性測量裝置（DQI）在1992年（或之前）已經(jīng)誕生。DQI如今已被裝入了Rockwell公司的CMIGITS慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，其生產(chǎn)權(quán)歸Systron Donner所有。Systron Donner公司目前正從汽車行業(yè)撤身以便集中精力研制高性能的傳感器。一種低噪聲的戰(zhàn)術(shù)級別陀螺正在他們的全石英制SDI500 戰(zhàn)術(shù)級別的慣性測量單元得到應(yīng)用。Onera公司的集成振動陀螺（VIG）為振動元件（類似于他們的DIVA加速度計）提供了一種特殊的絕緣系統(tǒng)來減少結(jié)構(gòu)之外的能量損失。在頻帶寬度為100Hz時輸出噪聲是0.01（deg/s）/。Sage

47、m公司的Quapason陀螺在同一個基片上外延了4個石英叉尖，因此降低了驅(qū)動回路和敏感回路之間的不利的交叉耦合【參考文獻(xiàn)50】。2.4.2.2 振動平面式MEMS陀螺圖14展示了Draper Laboratory的音叉陀螺（TFG-2）。該陀螺由兩個硅質(zhì)量檢測塊構(gòu)成，它們通過折疊梁懸掛在一個玻璃基座上，振動時相位差為180°。這種設(shè)計也被稱為雙端音叉陀螺，其尺寸規(guī)格約為300X400微米，它們也是共面型陀螺。由科氏力導(dǎo)致的非共面敏感運(yùn)動可以通過質(zhì)量檢測塊與基座之間的電容變化獲得。對于該類中一個典型的MEMS陀螺，1rad/s（共面）的輸入將在質(zhì)量塊上產(chǎn)生約9X的科氏力，在敏感極上產(chǎn)生

48、的位移峰值約為1Xm，電容變化峰值為3aF（1aF=F）。測量1deg/h的角速率需要可分辨約5X的位移和對應(yīng)每個振動周期內(nèi)0.25個電子電荷。 該技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給了Honeywell。工作數(shù)據(jù)表明，該諧振音叉陀螺在40-85溫度環(huán)境下可以工作幾個月，可經(jīng)受的沖擊可達(dá)12000g，性能水平在3deg/h50deg/h（3，經(jīng)過補(bǔ)償）之間。這些已經(jīng)在ERGM和CMATD制導(dǎo)炮彈項目中已進(jìn)行了驗證【參考文獻(xiàn)51】。Draper/Honeywell的TFG系列就是一個經(jīng)過驗證的對于高“g”值應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計，并經(jīng)過了一系列包括提高性能、改善工藝的持續(xù)改進(jìn)工作。振動板技術(shù)被應(yīng)用于Honeywell的HG1

49、900、1920、1940系列的慣性測量單元，其后者只有2立方英寸（33立方厘米）。 有很多種振動平面式陀螺采用了加州大學(xué)伯克利分校發(fā)明的這種梳狀驅(qū)動構(gòu)件。這種布局多用于降低驅(qū)動回路和敏感元件回路之間的交叉耦合，其中有些是共面型，有些是Z軸型的，有些是振動圓盤式的。研究表明，當(dāng)敏感元件的厚度為50um-100um時，可以獲得最佳的陀螺性能。MEMS制造工藝中的缺陷很容易導(dǎo)致不希望看到的性能誤差，因此對于先進(jìn)加工工藝的持續(xù)改進(jìn)是滿足性能和降低成本的關(guān)鍵，這些工藝可生產(chǎn)更多的、更厚的三維零件，而這些零件對于制造公差沒有以前那么敏感。美國模擬器件公司（AD）的ADXRS陀螺已實現(xiàn)了商業(yè)化，該陀螺的驅(qū)

50、動軸和敏感軸均平行于基座，可在一個大氣壓條件下工作，但其工作性能有限。一些其他類型的不依賴于梳狀驅(qū)動構(gòu)件的振動平面式MEMS陀螺已經(jīng)被開發(fā)出來了，這些器件并不需要像梳狀驅(qū)動構(gòu)件那樣窄的間隙和嚴(yán)密的制造公差。噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的MEMS陀螺【參考文獻(xiàn)52】是一種四葉式機(jī)構(gòu)的二自由度諧振陀螺，它由四個彈簧支撐起來，采用一個垂直標(biāo)桿來提供主要的慣性質(zhì)量，并繞著四葉式機(jī)構(gòu)平面上的一根軸做搖擺運(yùn)動。這是一個非共面型的陀螺（也就是說，它與垂直于四葉式機(jī)構(gòu)平面的Z軸方向上的速度有關(guān)）。日本已經(jīng)研制出了一個雙框架結(jié)構(gòu)驅(qū)動回路和電磁感應(yīng)式的陀螺【參看文獻(xiàn)53】。Sensonor Technologies公

51、司（挪威）正在研發(fā)新型的SAR500，高精度的MEMS Butterfly陀螺，設(shè)計的預(yù)期角度隨機(jī)游走是0.002 deg/，工作偏壓穩(wěn)定性為0.04 deg/，零偏重復(fù)性為0.1 deg/【參考文獻(xiàn)54】。SAR500的速率敏感軸位于一個與上、下敏感面共面的平面內(nèi)，除了敏感度增大以外，還顧及到了分辨率的調(diào)整、驅(qū)動器的共振、有效的正交抵銷補(bǔ)償。2.4.2.3 諧振環(huán)型陀螺諧振環(huán)型陀螺的一個優(yōu)點在于環(huán)結(jié)構(gòu)維持驅(qū)動回路和敏感振動能量都在一個平面內(nèi)。然而，其缺點則在于振動質(zhì)量小，因此標(biāo)度系數(shù)小。圖15（a）是密歇根大學(xué)的一種單晶硅諧振環(huán)型陀螺【參考文獻(xiàn)55】。諧振環(huán)以20KHz頻率振動，其直徑為2.

52、7mm，寬為50um，深度為150um。諧振環(huán)依靠驅(qū)動電極產(chǎn)生的靜電力振動，形成一個共面的橢圓柱狀主撓曲型。繞Z軸（垂直于諧振環(huán)平面）方向的角速率將產(chǎn)生科氏力，科氏力所產(chǎn)生的能量從主撓曲型傳遞到距離45°處的次撓曲型，次撓曲型的幅值被容性讀出。制造過程中產(chǎn)生的任何頻率不匹配可通過平衡電極以電子形式補(bǔ)償。圖15（b）給出了通過電子天平方式補(bǔ)償前后驅(qū)動級和敏感級的撓曲型。這種陀螺的標(biāo)度因數(shù)是132mV/deg/s，分辨率為7.2deg/h，輸出噪聲為10.4deg/h/。BAE SYSTEM公司研發(fā)了一種硅振動構(gòu)件陀螺（SiVSG），它由變形輻條所支撐的環(huán)形諧振器構(gòu)成。科氏力誘導(dǎo)的運(yùn)動通

53、過中心磁鐵產(chǎn)生的磁場變化進(jìn)行檢測。這種感應(yīng)振動環(huán)陀螺【參看文獻(xiàn)56】已成功應(yīng)用于姿態(tài)參考系統(tǒng)來控制生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，而且在2000年六月應(yīng)用于中程Tri-Nation Guided反坦克導(dǎo)彈和其他的軍事系統(tǒng)中。一種全硅的容性環(huán)形諧振陀螺正處于研發(fā)當(dāng)中。BAE SYSTEM公司的諧振環(huán)技術(shù)如今屬于Atlantic Inertial Systems（AIS，B.F. Goodrich的一部分），被SiIMU02 和 SiNAV IMUs所合并。AIS 和日本的Sumitomo Precision Products公司現(xiàn)在都在生產(chǎn)硅傳感器和商業(yè)級環(huán)形諧振陀螺，試制生產(chǎn)量為每月幾千支。比如DMU02 6-DO

54、F動態(tài)計量單位在載人運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用；先前所公布的CRS09在穩(wěn)定性方面作為光纖陀螺儀一般代替品和其在GPS輔助導(dǎo)航中的應(yīng)用。2.4.2.4 非傳統(tǒng)MEMS陀螺的發(fā)展有較強(qiáng)的跡象表明，傳統(tǒng)的CVGs不太可能獲得比戰(zhàn)術(shù)級別更好的性能，因此其他的一些速度傳感技術(shù)也得到研究。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）從2004年開始為導(dǎo)航級MEMS陀螺而開發(fā)的導(dǎo)航級集成微型陀螺儀（NGIMG）就是一個自主創(chuàng)新的產(chǎn)品。NGIMG計劃的目標(biāo)是生產(chǎn)出微型陀螺（最好是芯片大小）能夠達(dá)到以下性能：0.001deg/的角度隨機(jī)游走、0.01 deg/的偏壓不確定度、小于50 ppm的標(biāo)度系數(shù)、300 Hz的頻帶寬度、

55、低于5 mW的功耗【參考文獻(xiàn)57】。早期的研究導(dǎo)致了MEMS技術(shù)中的三項技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展（磁懸浮旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、微型核磁共振（NMR）、石英磁盤諧振器）。DARPA的另外一個自主創(chuàng)新計劃就是始于2009年的對于微型速率積分陀螺的研究。這是為了克服當(dāng)前MEMS陀螺的另一個缺陷，即他們只能直接提供速率信息而不是角度信息。盡管振動式的MRIGs已經(jīng)提到過了，但是這項計劃尤其需要采用創(chuàng)新的方法來推動科學(xué)、制造、設(shè)備或者系統(tǒng)有一個革命性的提高；而不是對現(xiàn)存狀態(tài)的循序漸進(jìn)的改進(jìn)。同樣，歐洲航天局（ESA）也資助了幾項基于歐洲MEMS陀螺發(fā)展的市場分析和可行性研究項目，承擔(dān)這些項目的公司有：BAE Syste

56、ms（英國）、Bosch （德國）、EADS CRC（德國）、LITEF（德國）、Sagem（法國）、SensoNor（挪威）、Thales（法國）。期望的目標(biāo)是零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.1deg/h。但總的看來，優(yōu)于戰(zhàn)術(shù)級水平的MEMS陀螺實現(xiàn)批量生產(chǎn)還有幾年的路要走。生產(chǎn)高性能微型陀螺所存在的困難激發(fā)了人們對于全加速度計系統(tǒng)（也被稱為無陀螺系統(tǒng)）產(chǎn)生了更大的興趣。全加速度計系統(tǒng)通常采用兩種方法。第一種是利用科里奧利效應(yīng)，其特點是三對反向放置的整體式MEMS加速度計在一個振動結(jié)構(gòu)上振動（或者旋轉(zhuǎn)），這種方法可以檢測角速率。第二種方法是將加速度計放在固定的地方用于測量角加速度（也被稱為“直接式”測量）

57、。在這兩種方法中，加速度計也被用來測量線加速度，以便提供完整的導(dǎo)航方案。然而，在“直接式”測量中，由于需要多進(jìn)行一次積分，使系統(tǒng)對于偏值的變化和噪聲更加敏感，因此其輸出誤差隨時間的增長速度要比傳統(tǒng)的IMU大一個量級。時至今日，只有第一種方法的全加速度系統(tǒng)被付諸實踐。由L-3通訊公司研發(fā)的硅微機(jī)械科氏慣性速率及加速度敏感器（uSCIRAS）的IMU就是一個例子。其他的一些例子有Kearfott公司的微機(jī)械振動梁式復(fù)合傳感器（MVBM）和Bosch的SMI540多用傳感器。2.4.3 多軸陀螺和加速度計芯片將兩個共面型（X軸和Y軸）、一個非共面型（Z軸）敏感器集成在一個芯片上以更進(jìn)一步縮減尺寸的目

58、標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了。一些供應(yīng)商（例如InvenSense）一直致力于研究在一個芯片上集成多種傳感器，類似如圖16所示的那種。這樣的芯片這將有望產(chǎn)生0.2立方英寸（3.3立方厘米）的IMU。這可能是那些可以應(yīng)用于個人導(dǎo)航和制導(dǎo)子彈的小型IMU所能達(dá)到的極限尺寸。商業(yè)化投資有可能推動這種尺寸縮減技術(shù)的發(fā)展，因為商業(yè)領(lǐng)域以尺寸為基礎(chǔ)的需求更加強(qiáng)烈，而不像當(dāng)前軍用領(lǐng)域那樣以性能需求為基礎(chǔ)。在芯片上集成其他類型的傳感器（例如磁力儀）是進(jìn)一步縮小尺寸和降低成本的另一種關(guān)鍵要素。當(dāng)前的性能適合于商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。2.5 冷原子傳感器基于原子干涉儀的敏感技術(shù)（有時稱為冷原子敏感器）是一種潛在的有前景的技術(shù)，目前處于早期研發(fā)階段。由于原子具有內(nèi)部質(zhì)量和結(jié)構(gòu)，因此物質(zhì)波干涉類似于光波干涉。為了對物質(zhì)波進(jìn)行干涉，必須有原子流產(chǎn)生，之后對其進(jìn)行分離、導(dǎo)向、再結(jié)合。激光冷卻提供控制原子源所需的速度。激光冷卻使得原子減速（相比于光波的速度），如此它們有更多的時間（被稱為滯空時間）來經(jīng)歷角速率或加速度的影響，有更大的分離和隨之而來的再結(jié)合。理論上說，這意味著原子干涉儀可以制造出最精確的陀螺、加速度計、重力梯度儀以及精密時鐘，性能課提高幾個數(shù)量級【參考文獻(xiàn)58,59】。如今人們對于原子干涉儀有著濃厚的興趣，在許多領(lǐng)域都進(jìn)行著研究。例如：耶魯大學(xué)、斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、亞利桑那州立大學(xué)、AOSense公司