微机械陀螺仪的国内外发展概述

微机械陀螺仪的国内外发展概述

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摘要：陀螺仪是一种用于测量旋转速度或旋转角的仪器。它在运输系统，例如：导航、刹车调节控制和加速度测量等方面有很多的应用。微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种，现在工业控制、航空航天、军用技术都不可能离开惯性传感器：汽车、消费品和娱乐市场也开始依赖这些设备。许多市场调查一致认为微机械传感器市场将以每年15%-25%的年增长率增长。微机械陀螺仪的性能指标在很短的十几年内得到了迅速提高，目前正由速率级向战术级精度迈进。根据随机游走系数定义陀螺仪的性能指标，体微机械和表面微机械陀螺仪的性能在每2年便以10倍的速度得到提高，表面微机械陀螺仪和体微机械陀螺仪的性能的差距也越来越小。也正是由于微机械陀螺仪的广泛应用，使得世界各国都致力于对陀螺仪的研究和发展。

正文：

一、微机械陀螺仪的分类简介及用途。

陀螺是首先在火箭上得到应用的，开始于二战期间德国的V2火箭。从此，陀螺仪和加速度计成为一门惯性技术而快速发展起来，冷战时期精度上快速提高，功能上有很大扩展。不仅在海、陆、空、天的军事领域普遍应用，而且在大地测量、空中摄影、隧道开凿和石油钻井等等许多民用部门也用它起到定向和稳定作用。在军事应用的牵引下，惯性仪表精度大幅提高的同时，相关的制造工艺越来越复杂，生产周期长，成本很高，价格昂贵，令民用部门望而却步。即使在军用方面，由于陀螺仪转子的高速旋转和惯性测量系统的复杂性，在可靠性、安全性、兼容性、寿命以及体积重量等方面也暴露出某些固有的弱点。凡此种种，促使科技人员去思考和探索新的测量工具和测量方式，以替代传统的机械转子式的陀螺仪。因而，各种各样的新型陀螺仪和加速度计相继研制出来并成功地获得应用。微机械陀螺仪主要有振动式微机械陀螺仪、转子式微机械陀螺仪、微机械加速度计陀螺仪三种：

（1）振动式微机械陀螺仪。

振动式微机械陀螺仪利用单晶硅或多晶硅制成的振动质量，在被基座带动旋转时的哥氏效应感测角速度。多采用平面电极或是梳状电极静电驱动，并采用平板电容器进行检测。其分类如下：

（2）转子式微机械陀螺仪。

转子式微机械陀螺仪的转子由多晶硅制成，采用静电悬浮，并通过力短再平衡回路测出角速度。从功能看，转子式微机械陀螺仪属于双轴速率陀螺仪或双轴角速率传感器。

（3）微机械加速度计陀螺仪。

微机械加速度计陀螺仪是由参数匹配的两个微机械加速度计做反向高频抖动而构成的多功能惯性传感器，兼有测量加速度和角速度的双重功能。其分类如下：

二、国内微机械陀螺仪的发展概述。

陀螺仪作为一种重要的惯性敏感器，是构成INS的基础核心器件，INS的性能在很大程度上取决于陀螺仪的性能。根据近几年国内文献，目前我国在惯性导航中应用研究中的陀螺仪按结构构成大致可以分为三类：机械陀螺仪，光学陀螺仪，微机械陀螺仪。机械陀螺仪指利用高速转子的转轴稳定性来测量载体正确方位的角传

感器。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来，人们探索过很多种机械陀螺仪，液浮陀螺、动力调谐陀螺和静电陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，精度在10E-6度/小时～10E-4度/小时范围内，达到了精密仪器领域内的高技术水平。在1965年，我国的清华大学首先开始研制静电陀螺，应用背景是“高精度船用INS”。

1967-1990，清华大学、常州航海仪器厂、上海交通大学等合作研制成功了静电陀螺工程样机，其零偏漂移误差小于0.5°/h，随机漂移误差小于0.001°/h，中国和美国、俄罗斯并列成为世界上掌握静电陀螺技术的国家。

随着光电技术的发展，激光陀螺，光纤陀螺应运而生。与激光陀螺仪相比较，光纤陀螺仪成本较低，比较适合批量生产。我国光纤陀螺的研究起步较晚，但已经取得了很多可喜的成绩。航天科工集团、航天科技集团、浙大、北方交大、北航等单位相继开展了光纤陀螺的研究。根据目前掌握的信息看，国内的光纤陀螺研制精度已经达到了惯导系统的中低精度要求，有些技术甚至达到了国外同类产品的水平。

由于电子技术和微机械加工技术的发展，使微机电陀螺成为现实。从20世纪90年代以来，微机电陀螺已经在民用产品上得到了广泛的应用，部分应用在低精度的惯性导航产品中。我国微机电陀螺的研究开始于1989年，现在已经研制出数百微米大小的静电电机和3mm的压电电机。清华大学的导航与控制教研组的陀螺技术十分成熟，并已经掌握微机械与光波导陀螺技术，现已经做出了微型陀螺仪样机，并取得了一些数据。东南大学精密仪器与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组合导航系统的开发研究，满足了军民两用市场的需要。

总之，随着科学技术的发展，相比于静电陀螺的高成本，成本较低的光纤陀螺和微机械陀螺的精度越来越高，是未来陀螺技术的发展总趋势。

三、国外微机械陀螺仪的发展概述。

（1）国外对于激光陀螺的研究。

激光于1960年在世界上首次出现。1962年，美国、英国、法国、前苏联几乎同时开始酝酿研制用激光来作为方位侧向器，称之为激光陀螺仪。

激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度。在闭合光路中，由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉，利用检测相位差或干涉条纹的变化，就可以测出闭合光路旋转角速度。

美国研制激光陀螺仪的厂家有霍尼威尔、利顿、斯佩里等公司。美国斯佩里公司于1963年首先做出了激光陀螺仪的实验装置。1966年美国霍尼威尔公司开始使用石英作腔体，并研究出变机械抖动偏频法，使这项技术有了使用的可能，1972年，霍尼威尔公司研制出GG-1300型激光陀螺仪。1974年美国国防部下令海军和空军联合制定研究计划，1975年在战术飞机上试飞成功，1976年在战术导弹上实验成功。进入80年代以来，美国空军表示要坚定把激光陀螺应用到空军系统中去，并与麦克唐纳道格拉斯公司签订了两项合同，以实施一项名为“综合惯性基准组件”的研制计划，其内容是研制一种采用激光陀螺的双盒组件式传感器系统。海军也计划在80年代内将激光陀螺惯导系统用到舰载飞机中，这种系统称为CA1NS1.陆军准备将激光陀螺用于陆军飞机的定位/导航、监视/侦察、火控以及飞行控制系统。1985年美国提出了战略防御计划（SDI）后，激光技术在军事系统和空间武器上的应用备受重视，根据SDI预算，1985年在此方面的投资大部分用于激光实验以及激光陀螺的研制。90年代，根据先进巡航导弹和战术飞机的要求，美国进行了激光捷连性能的研究（SPS）,国外激光陀螺仪的研制单位很多，其中以美国和法国研制的水平较高，此外还有俄罗斯、德国等国家。

（2）国外对于光纤陀螺仪的研究。

光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移。

光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦器件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。

光纤陀螺仪自1976年美国犹他州立大学首先研制出试验装置，随后，世界各发达国家的科研机构和著名大学都投入了很大的人力、物力和精力研究这一有发展前途的新型光纤旋转速率传感器。随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展，光纤陀螺仪已经实现了惯性器件的突破性进展。在国外，l°/h至0.01°/h的工程样机已用于飞行器惯性测量组合装置。美国利顿公司已将0.1°/h的光纤陀螺仪用于战术导弹惯导系统。新型导航系统FNA2012采用了l°/h的光纤陀螺仪和卫星导航GPS．美国国防部决定光纤陀螺仪的精度1996年达到0.01°/h ；2001年达到0.001°/h；2006年达到0.0001°/h ，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。

美国的光纤陀螺研制单位有：利顿公司、霍尼威尔公司、德雷泊实验室公司、

斯坦福大学以及光纤传感技1术公司等。利顿公司的光纤陀螺技术在低、中精度应用领域已经成熟，并且已经产品化。1988年研制出SCIT实验惯性装置，惯件器件是光纤陀螺和硅加速度计。1989年公司研制的CIGIF论证系统飞行试验装置。

1991/1992年研制出用于导弹和姿态与航向参考系统的惯性测量系统。1992年研制出GPS/INS组合导航系统。霍尼韦尔公司研制的第一代高性能的干涉仪式光纤陀螺采用的是Ti内扩散集成光学相位调制器。采用的其他器件还有0.83um宽带光源、光电探测器/前置放大器模块、保偏光纤偏振器、两个保偏光纤熔融型耦合器以及由1km保偏光纤构成的传感环圈。为了满足惯性级光纤陀螺的要求，霍尼韦尔公司研制的第二代高性能干涉仪式光纤陀螺采用了集成光学多功能芯片技术以及全数字闭环电路。美国德雷珀实验室从1978年起为JPL空间应用研制高精度光纤陀螺，曾研制过谐振腔式光纤陀螺，研制了9年，由于背向散射误差限制了精度，后来改为采用干涉仪式方案。

日本研制光纤陀螺的单位有东京大学尖端技术室、日立公司、住友电工公司、三菱公司、日本航空电子工业公司。日本的干涉式光纤陀螺仪已经完成了基础研究，正进入实用化阶段。偏值漂移已经达到。东京大学进行研究的谐振腔光纤陀螺仪取得了很大进展。日立公司研制用于汽车导航系统的光纤陀螺，1991年用于日产汽车。

在日本，光纤陀螺作为汽车的旋转速率传感器已进入市场。利用光纤陀螺仪进行导航时，用车轮转速计传感器测移动距离，用光纤陀螺测量车体的回转，同时采用图象匹配、GPS系统等配合计算汽车的位置和方位，显示在信息处理器上。

俄罗斯的光纤陀螺有全光纤型和集成光学型。全光纤型采用的是光纤技术，即所有的光纤器件都做在同一根光纤上。Fizoptika公司研制的光纤陀螺已经商品化，产品型号有：VG949、VG941B等

四、各种陀螺仪未来的发展趋势状况分析。

（1）机械转子式陀螺仪的未来发展分析。

机械转子式陀螺仪的精度，目前机械加工和材料水平几乎达到极限，仍有潜力可挖。因此，在跨入21世纪后的一段时间内，在那些需要特别高精度的应用场合，这种传统的转子陀螺仪仍然是首选对象，虽然技术难度和代价是显然的。一般而言，要实现现代高精度陀螺仪的技术要求，其高速旋转部分的活动间隙要做到1 μm左右，仪表活动部件质心的不稳定量在1 nm以下，材料不稳定性为一个微应变，机械加工精度0.1 μm，温控精度0.01 ℃，局部环境洁净度优于10级。测试设备的测

角精度0.1 ″，长度测量精度10－７。

（2）转子式陀螺仪的未来发展分析。

转子式陀螺仪的支承方式，将保留现有的电、液、气、磁和机械等几种方式。提高这类仪表精度的措施不是靠开发新的支承原理，更主要的要靠继续精心设计，改善材料性能和提高工艺重复性，积累单项成功以取得总体的进步对惯性平台和陀螺加速度计的需求正在减少，但这并不意味着这种技术已经过时。在有些特殊场合，其它的测量方式还难以取代它们的突出优势。它不仅在高精度和抗严酷环境条件方面有潜力，而且，在误差自标定、自补偿、自对准、自检测、数字化控制、适应机动快速发射以及提高可靠性、维修性、兼容性、寿命等方面还有改进的需要和条件。因此，平台和陀螺加速度计的发展方向，也不在于创造新的仪表支承方式，而是致力于发挥其本身固有的优势。除此之外，陀螺平台的稳定功能对那些空中摄影、天线、望远镜等需要姿态稳定的对象，比捷联系统更为直接而有效。

（3）光学陀螺仪的未来发展分析。

在众多陀螺仪中，光学陀螺仪在当前的航天领域中，形成了与传统机械陀螺争夺市场的局面。这种陀螺仪基于光速不变的原理工作，已不同于原来力学意义上的惯性仪表。它既没有高速旋转的部件，也没有液浮陀螺那样的液体，是属于固态陀螺或称干式陀螺的一种。目前，光学陀螺仪的精度还在中等水平，影响其精度提高的一个因素是低速率输入时，激光陀螺有一个死区，即闭锁现象。为克服这种现象，研制人员想出了给这种陀螺加机械抖动的办法，或者用转台使之旋转，以产生速率偏置的办法来提高其精度。这些办法是有效的，同时也是有限的。因为它们又增加了机械活动部分，使结构复杂，往复式的抖动又会引起输出噪声的增加。（4）光纤陀螺的未来发展分析。

光纤陀螺是稍后于激光陀螺而发展起来的另一种光学陀螺，目前它还赶不上激光陀螺的性能，但由于光纤技术在现代通讯技术方面的特殊作用，与其相关的技术如保偏光纤、超辐射激光二极管光源、耦合器、偏振器和集成光学等在低成本、小型化、适合批生产方面取得了快速的发展，因而这种陀螺的发展有超过激光陀螺的势头。在航天领域特别是战术导弹制导上会有良好的应用前景。

（5）固态陀螺的未来发展分析。

各式各样的固态陀螺，就测量角速度和测量加速度的原理而言，仍是以哥氏惯性力和比力为其力学基础。通过内部激励使物体产生往复的线运动，当外部存在角

运动时，物体敏感角速率而产生幅度和相位与之对应的哥氏加速度，然后通过电子线路把哥氏惯性力检测出来，从而测到了角速率。同样，加速度计也是通过敏感质量和力平衡原理测量比力。这类惯性仪表中，最有吸引力、最受广泛重视和最具发展潜力的要数硅微机械陀螺和微机械加速度计。它们在单晶硅芯片上使用集成电路制造中的光刻、腐蚀、离子注入以及键合等微机械加工技术制造而成，非常适合大规模生产，成本很低，而且体积极小（仅小指甲盖那么大），重量轻，功耗小，启动快，有利于发展冗余技术，易于实现数字化和智能化。国外已有少量应用，精度还较低，国内还在试验室阶段。这种由惯性原理、微细加工和电子技术相结合的新技术，预示着惯性仪表乃至惯性系统的某种飞跃。它的高速发展将在军民品各个领域获得的应用。

五、关于微机械陀螺仪发展的思考。

在现今的射界格局中，战争以信息化战争的的对抗为主,重点是发展精确制导武器, 实现中远程精确打击和非接触作战;大力提高防空、反导、突防、电子和信息作战体系,加强局部作战区域的制空、制海和制电磁权的作战能力。惯性技术是加强武器系统和提高作战能力的关键技术。许多国家都将发展军事力量作为首要的目标，而衡量军事力量提高的一个因素就是先进武器系统的研究和制造，而这些研究工作中首先考虑的就是陀螺仪的使用和研发，航天惯性技术在实施精确打击中的特殊地位,导弹武器精确制导对惯性技术的要求, 在战术武器应用方面前景看好。战略武器方面，惯性系统与其它方式的组合制导，也是一个重要的发展空间。故而微机械陀螺仪的研究更是重中之重。

参考文献：

1. 孙丽，王德钊《国内外光纤陀螺的最新进展．控制工程》2002(1)：9～14。

2.何传五《几种新型陀螺简介．航天控制》2001，19(2)：73～80 。

3. Rand Husing．MEMS inertial rate and acceleration sensor．IEEE AES system

Magazine．November 1998。

4.刘俊石云波李杰《微惯性技术》电子工业出版社。