MEMS慣性技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

齊廣峰，呂軍鋒

（1.海軍裝備部 陜西 西安 710043；2.北方光電股份有限公司 陜西 西安 710043）

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electromechanical Systems，MEMS）慣性傳感器及慣性系統(tǒng)已成為未來導(dǎo)航技術(shù)不可或缺的發(fā)展方向。MEMS技術(shù)以其體積小、重量輕、低功耗低、成本低以及抗沖擊等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。目前消費(fèi)級MEMS慣性技術(shù)的發(fā)展已較為成熟，其與磁強(qiáng)計、速度計及以GPS為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System，GNSS）等輔助系統(tǒng)構(gòu)成組合系統(tǒng)，可為大多數(shù)導(dǎo)航應(yīng)用提供適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

1 MEMS慣性傳感器發(fā)展?fàn)顩r

將導(dǎo)航系統(tǒng)工作一小時的水平位置圓概率誤差（Circular Error Probability，CEP）稱為 CEP速率（單位為 nm/h）。美國在20世紀(jì)70年代，根據(jù)INS獨立運(yùn)行的CEP速率，分為高精度（戰(zhàn)略級）系統(tǒng)（0.1 nm/h）、中精度（導(dǎo)航級）系統(tǒng)（1 nm/h）和低精度（戰(zhàn)術(shù)級）系統(tǒng)（10 nm/h）[1]。 文獻(xiàn)[2]進(jìn)一步將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）精度分為：戰(zhàn)略級、導(dǎo)航級、戰(zhàn)術(shù)級、消費(fèi)級，對應(yīng)的慣性傳感器精度如表1所示。

隨著硅半導(dǎo)體工藝的成熟和完善，自20世紀(jì)80年代起出現(xiàn)的MEMS慣性傳感器技術(shù)，極大的促進(jìn)了慣性技術(shù)在對成本、尺寸和功耗敏感的潛在應(yīng)用領(lǐng)域中的發(fā)展。

表1 慣性傳感器的精度級別Tab.1 Level of precision inertial sensors

MEMS加速度計按其測量原理可分為擺式加速度計和諧振式加速度計。目前擺式MEMS加速度計的測量精度可達(dá)25μg至1 mg，諧振式MEMS加速度計的測量精度接近1 μg，因此MEMS加速度計已能滿足大部分導(dǎo)航的精度需求。

振動型敏感器是目前MEMS陀螺的研究重點，具體包括：調(diào)諧音叉型陀螺和諧振環(huán)型陀螺。前者工藝簡單利于大批量低成本生產(chǎn)；后者具有更高的理論精度但結(jié)構(gòu)及原理更為復(fù)雜。隨著對器件內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)、尺寸、電子學(xué)及封裝技術(shù)與器件性能之間關(guān)系研究的深入，以及平面壁蝕刻技術(shù)等制造工藝的完善，MEMS陀螺精度近年來得到了快速提高。目前精度達(dá)10°/h的MEMS陀螺已投入商用，國際上MEMS陀螺的最高實驗室精度已優(yōu)于0.01°/h[3]。

低成本微小型固態(tài)傳感器，是現(xiàn)代慣性器件技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。0.01～10°/h的陀螺能夠滿足大多數(shù)導(dǎo)航應(yīng)用的精度要求。目前光學(xué)陀螺已代替機(jī)械式陀螺成為在這一精度范圍應(yīng)用的主要敏感器。MEMS陀螺已拓展至中低精度的戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用領(lǐng)域，隨著技術(shù)的進(jìn)步，MEMS陀螺勢必將取代大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用中的光學(xué)陀螺。

2 MEMS慣性系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

MEMS慣性系統(tǒng)分為慣性測量單元（IMU）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）。采用MEMS－IMU與GPS構(gòu)成SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，是目前MEMS－INS應(yīng)用的主要形式。這是由于：一方面目前MEMS－IMU的精度低，以其構(gòu)成的SINS僅能維持?jǐn)?shù)秒有價值的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，組合導(dǎo)航技術(shù)是提高M(jìn)EMS－INS性能最具性價比的技術(shù)途徑；另一方面，MEMS－IMU極大的降低了組合系統(tǒng)中SINS的成本，使MEMS組合導(dǎo)航系統(tǒng)極具成本優(yōu)勢，促進(jìn)了組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

2.1 Draper實驗室MEMS組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究概況

美國國防部高等研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）自20世紀(jì)90年代起啟動了一系列MEMS慣性技術(shù)的研究項目。受其資助，美國Draper實驗室在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究工作，處于國際領(lǐng)先地位。

Draper實驗室1994年首次推出由3只MEMS陀螺及3只MEMS加速度計構(gòu)成的IMU，并于1995年起進(jìn)行了一系列驗證研究項目，以評估MEMSSINS/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)在制導(dǎo)彈藥等戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用中的可行性。如圖1所示[4]，其研究項目具體包括：增程制導(dǎo)彈藥，彈藥能力先進(jìn)技術(shù)驗證，低成本制導(dǎo)電子單元INS/GPS。此外，其采用在DARAPA的MEMSIMU項目和通用制導(dǎo)慣性測量單元項目資助下研制的MEMS－IMU與一個加裝選擇可用性反誘騙模塊（Selective Availability Anti Spoof Module，SAASM）的 GPS接收機(jī)，實現(xiàn)了 MEMS－INS/GPS深耦合。

圖1 Draper實驗室MEMSSINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)歷程Fig.1 Draper laboratory MEMSSINS/GPSintegrated navigation system R&D process

上述研究表明，采用消費(fèi)級MEMS－IMU與GPS構(gòu)成的緊組合及深組合系統(tǒng)能夠滿足戰(zhàn)術(shù)級導(dǎo)航應(yīng)用需求，成本低且具有一定的抗GPS干擾能力。

2.2 MEMS-IMU研制進(jìn)展

1999年Honeywell公司從波音北美公司收購了Draper實驗室MEMS慣性技術(shù)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)級MEMS－IMU研發(fā)。此外，BAE、BEI、ADI及一批慣性技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的著名研究機(jī)構(gòu)也紛紛致力于MEMS－IMU在精度、體積、成本等方面的優(yōu)化。以零偏不穩(wěn)定性 （Bias Instability，BI）及隨機(jī)游走（Random Walk，RW）為主要指標(biāo)，近年來 MEMS－IMU 的研制進(jìn)展可總結(jié)如表 2所示[5－6]。

表2 近年來的MEMS-IMU研制進(jìn)展Tab.2 MEMS-IMU recent research progress

由此可見，近年來MEMS－IMU的發(fā)展呈現(xiàn)出兩個主要特點：戰(zhàn)術(shù)級MEMS－IMU的性能進(jìn)一步提高，且體積、重量及成本逐步降低；消費(fèi)級MEMS－IMU的精度、量程及環(huán)境適應(yīng)性（溫度、加速度）等性能正逐步提高。

2.3 MEMS組合導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，利用低成本的消費(fèi)級MEMS－IMU進(jìn)行SINS/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)研究受到了廣泛的重視。國外MEMS SINS/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)起步較早，已有成熟的產(chǎn)品。其中，戰(zhàn)術(shù)級MEMS組合系統(tǒng)主要以提高GPS抗干擾能力為發(fā)展目標(biāo)，目前已發(fā)展至與P（Y）碼深組合階段；不同形式的松組合及緊組合系統(tǒng)在軍用及民用領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。低成本MEMS－IMU與GPS、磁強(qiáng)計等輔助導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成的小型化、低成本多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)成為當(dāng)前的研究熱點之一。Stanford大學(xué)采用3天線GPS接收機(jī)構(gòu)成超短基線GPS姿態(tài)解算與低成本MEMS－IMU姿態(tài)解算進(jìn)行融合[7]。飛行試驗表明，當(dāng)GPS正常工作時，組合系統(tǒng)利用MEMS－IMU的測姿精度與高精度IMU相近，優(yōu)于0.2°；當(dāng)GPS中斷1～2分鐘時，低成本MEMS－IMU獨立運(yùn)行的姿態(tài)精度可維持在2～6°以內(nèi)。

隨著磁傳感器的小型化，地磁航向系統(tǒng)也被視為MEMS－IMU的一種重要的輔助系統(tǒng)。美國Crossbow公司最新的NAV440及GNAV540利用低成本MEMS－IMU及三軸磁強(qiáng)計構(gòu)成姿態(tài)航向參考系統(tǒng) （Attitude and Heading Reference System，AHRS），并與C/A碼GPS接收機(jī)組合。系統(tǒng)采用松組合方式，以GPS位置、速度信息及地磁航向信息為外部觀測量對MEMS－IMU的姿態(tài)解算誤差和傳感器誤差進(jìn)行校正。飛行測試表明該系統(tǒng)在GPS信號完全中斷時可在1分鐘內(nèi)維持1 m的導(dǎo)航精度[8]。荷蘭Xsens公司針對民用市場推出的MTi等多個系列AHRS，采用了ADI公司的低成本MEMS慣性傳感器和磁強(qiáng)計。其2012年推出的AHRS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng) MTi－G－700，動態(tài)姿態(tài)精度優(yōu)于 1°，位置精度達(dá) 1 m（1σSTD），體積 55 cm3，重量 55g。

國內(nèi)MEMS SINS/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)尚處于研制試驗階段，主要的研究力量集中在高校及研究所。清華大學(xué)采用美國BEI公司的微型諧振陀螺及IC Sensors公司的硅微加速度計研制MEMS－IMU，車載實驗表明組合系統(tǒng)的定位誤差（CEP<4m）優(yōu)于 GPS的定位誤差（CEP=15 m），且當(dāng)GPS短時間失鎖時，組合系統(tǒng)輸出未發(fā)生突跳且在恒速行駛時仍能維持較高的定位精度（CEP=1.61 m）[9]。上海交通大學(xué)利用3DM－GX1的MEMS器件和NovAtel的OEMV－1G型接收機(jī)研制了松組合系統(tǒng)，車載實驗表明，組合系統(tǒng)在衛(wèi)星狀況良好時的定位精度優(yōu)于2 m；衛(wèi)星失效30 s時MEMS－IMU獨立工作的位置誤差為 150～200 m；在衛(wèi)星失效階段引入車輛約束條件及磁羅盤輔助設(shè)備，組合系統(tǒng)在直線段定位精度為3 m，在拐彎段最大位置誤差為30 m[10]。哈爾濱工程大學(xué)對MEMS AHRS/GPS緊組合融合濾波技術(shù)進(jìn)行了研究[11]。

3 發(fā)展趨勢

目前各種導(dǎo)航應(yīng)用對MEMS慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用，其主要發(fā)展目標(biāo)是繼續(xù)降提高系統(tǒng)精度、降低附帶傷害、增大有效范圍并降低尺寸和成本，提高環(huán)境適應(yīng)性。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，需要在高性能MEMS陀螺、芯片級MEMS－IMU、芯片級MEMS組合導(dǎo)航系統(tǒng)以及多傳感器組合導(dǎo)航算法等方面展開深入研究。

未來高性能MEMS陀螺的研究內(nèi)容主要包括：MEMS速率積分陀螺、導(dǎo)航級MEMS陀螺、微型冷原子傳感器及光學(xué)MEMS陀螺等。目前國際上已開始采用特定用途集成電路（Application Specific Integrated Circuit， ASIC） 將 MEMS傳感器和處理器進(jìn)行封裝，研制芯片級MEMS－IMU。美國DARPA的芯片級時間慣性測量單元（Timing and Inertial Measurement Unit， TIMU）研究 2010 年取得成功[4]。

此外，盡管MEMS－IMU的性能提升降低了導(dǎo)航系統(tǒng)對GPS等輔助系統(tǒng)的依賴，但輔助系統(tǒng)仍是確保導(dǎo)航任務(wù)成功的必要保障。例如戰(zhàn)術(shù)級MEMS－IMU在純慣導(dǎo)模式下3分鐘內(nèi)的位置誤差可達(dá)到150 m左右不能滿足實際需求。因此MEMS－IMU與GPS等輔助系統(tǒng)構(gòu)成的多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)，仍是未來一個重要的發(fā)展方向。

據(jù)統(tǒng)計僅2008年全球共計生產(chǎn)了7.52億個MEMS加速度計和陀螺，應(yīng)用于汽車工業(yè)及消費(fèi)電子工業(yè)，其市場規(guī)模正以10%～20%的年增長率成長。MEMS傳感器及IMU的市場份額由2009年的18億美元增長到2013年的30億美元[12]。由于戰(zhàn)術(shù)級MEMS－IMU的發(fā)展，MEMS技術(shù)在國防領(lǐng)域的市場份額正逐步增長。

4 結(jié)束語

微電子技術(shù)的發(fā)展取代了傳統(tǒng)的模擬、數(shù)字電路技術(shù)，改變了人類的日常生活。與之類似，MEMS技術(shù)作為微電子技術(shù)的延伸，未來將對導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。MEMS慣性傳感器和慣性系統(tǒng)在各個領(lǐng)域均具有重大意義，是關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)、安全和國際競爭力的戰(zhàn)略技術(shù)。

本文著重介紹了MEMS慣性系統(tǒng)近年來的新進(jìn)展。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外在該領(lǐng)域仍存在差距，這需要我國相關(guān)科研單位密切跟蹤國際發(fā)展動態(tài)，從傳感器結(jié)構(gòu)、材料、封裝、工藝以及系統(tǒng)設(shè)計、測試等多方面出發(fā)，制定周密的研發(fā)計劃，促進(jìn)我國MEMS慣性技術(shù)的發(fā)展。

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