简析石英MEMS陀螺仪在惯性导航系统的应用

2021-12-05 14:00:22 来源: 半导体行业观察

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我国的科学技术在不断发展，在科学技术水平不断提升的今天，导航技术越来越受到人们的重视，而惯性导航更是其中重要的组成部分。目前，惯性导航系统行业正在飞速发展。随着惯性导航系统在航天航空、机器人控制、雷达等领域的大规模应用，惯性导航系统存在很大的发展空间。

惯性导航系统是一种不依赖外部设施的导航系统，它利用加速度计和陀螺仪测得的载体相对于惯性空间的比力和角速度，求得载体的位置、速度和姿态。但是，它的主要缺点是定位误差会随时间增长。

影响惯性导航系统精度的重要因素---陀螺仪

惯性导航系统具有高度的自主能力和抗干扰能力，可以提供完备、连续及高数据更新率的导航信息，在航空、航天、航海等领域都得到了广泛应用。惯性导航系统的核心为惯性测量单元（Inertial measurement unit，IMU，主要由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成），IMU的性能直接影响系统精度，其中，陀螺仪主要影响系统姿态角度精度，加速度计影响速度与位置精度，然而因解算时加速度需与角度分量作乘，因此姿态角度误差也是速度和位置误差的来源之一，即陀螺仪的性能可影响整个导航系统的所有指标。由于在长时间纯惯性导航系统中，陀螺仪零位造成的位置误差为随时间变化的线性曲线，加速度计造成的误差为随时间变化的振荡曲线。因此，对于长时间纯惯性导航系统来说，陀螺仪的性能尤其重要。

石英微机械陀螺仪的原理

近些年来，MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术的革新推动了微机械陀螺仪的快速发展，微机械陀螺仪根据结构材料的不同，可以分为硅陀螺和非硅陀螺，在非硅陀螺中石英陀螺是最重要的一种。石英材料品质因子高，有良好的压电效应，不需要复杂的结构即可实现陀螺的控制和检测，绝缘性好，可以防止漏电流带来的影响，温度稳定性好，可靠性高，工作时间长。

石英音叉陀螺属于振动陀螺，采用调谐音叉式结构，利用石英晶体的弹性性质、压电效应和逆压电效应检测角速度带来的科氏力信号，经过信号处理，转为直流电压，从而实现角速度的测量。

石英MEMS陀螺仪的工作原理如图 1所示。石英MEMS惯性陀螺仪利用其关键敏感元件——双端石英MEMS音叉上的驱动电极（位于驱动叉指）和检测电极（位于检测叉指）来实现驱动模态的激励和检测模态信号的敏感性。在驱动电极上施加频率同驱动模态频率匹配的恒幅交变电压信号激励陀螺仪产生驱动模态下的振动。当有角速度ω输入时，在科氏效应的作用下，产生与输入角速度方向和振动方向垂直的科氏力，使音叉在检测模态下振动，在压电效应作用下，检测电极上产生输出信号。该信号经过滤波放大、同步解调和低通滤波放大等，输出的电压信号即为角速度信号。

图 1石英MEMS陀螺仪的工作原理框图

石英微机械陀螺仪在惯性导航系统的应用及意义

目前，利用国内生产的石英MEMS陀螺仪（如图 2）已被用于研制惯性导航系统。惯性导航系统的部件组成如图 3。经过与高精度光纤惯导进行跑车对比试验，得到纯惯性解算姿态误差（30s，1σ）分别为滚转0.13°、偏航0.28°、俯仰0.22°，位置误差（30s，1σ）分别为X向10.56m、Y向2.45m、Z向8.19m的结果，验证了石英微机械陀螺仪组成的惯性导航系统的可行性。

图 2石英MEMS陀螺仪

图 3惯性导航系统部件示意图

基于石英微机械陀螺仪的惯性导航系统，凭借其自身体积小、价格低、功耗低、环境适应性好以及在GNSS信号盲区或者复杂环境可提供持续可靠的定位的优点，非常适应在未来的各类信息化场景中各类载体的智能化、小型化和数字化发展的趋势。随着未来石英MEMS材料工艺与制造工艺不断提升，高精度石英MEMS陀螺仪必将在精确制导、无人车、商业航天和微型飞行器等领域起到极为重要的作用。

本文作者：北京晨晶电子有限公司刘洋

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