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MEMS的主要研究机构和供应商
国际上MEMS技术在激烈竞争中快速发展
– Draper – Honeywell – BA Systems (UK)/Sumitomo (Japan) – GM / U. Michigan – CSEM – Analog Devices – JPL – Kearfott - MVBM – Motorola – Hughes Research Lab – L-3 (formerly Sundstrand ) - mSCIRAS – Litton – Panasonic (Japan) – 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
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21世纪军用导航
System Concept GPS Satellite Weapon Release Authority SATCOM
SAR Illuminator
Weapon Platform Airborne Grid Reference Station
Optical Targeting UAVs Multi-Static SAR Targeting UAVs
微机电 技术在导航中的应用
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21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<1m，且在任何地方都可以工作 •惯导系统仍然继续漂移great pity！！！
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BAE的硅微振动陀螺仪 (SiVSG)
• BAE研究和制造硅微陀螺仪已有15年历史，从1999年开始， 按照3个阶段发展基于MEMS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．�30-50立方英寸，采用P码，紧组合。正在进行。 3．�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10度/小时，2mg。 采用的硅微陀螺500-1000度/小时，加速度计100mg
Error Free Gravity Deflections Only
Time After Jamming (seconds)
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MEMS的竞争者
Systron-Donner
• Quartz • 8000 gyros per day • 40% of automobile market • DQI, C-MIGITS
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MEMS 加速度计
Analog Device
•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
EG&G IC Sensors
• 生产汽车安全气囊 传感器
–产量每年超过1百万
Beam with piezoresistors
•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/GPS – F-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)
2 0.8
27 1.5
25 1
1 0.02
0.3 0.1
•INS/GPS组合导航并经过初始对准
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制导炮弹对惯性仪表性能的要求
Accel
Range GPS off
(Km) (Km)
Gyro
VRW Bias G sens
(°/hr/g)
Bias
(mg)
SF
(%)
SF
(%)
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Draper 实验室的MEMS
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(1,000,000度/h)。 1994年，调音音叉陀螺达到 1D /s（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 D / h 和250 µ g 目前水平大概是10-20度/h和 5mg。
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农业方面
•自动耕作的拖拉机
–速度 –定位精度 –姿态精度 –路径跟踪 4 mph 2 cm 0.1 degree 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
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使用MEMS的灵巧弹药
K
K vr ，当
K K K ac = 2ω × vr
质点因此受到的哥氏力为：
梳式音叉陀螺
K K K Fc = −2m(ω × vr )
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。
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微机械100g加速度计
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发展简史
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。
MEMS(Microelectromechanical Systems)系统的优势
• 基于 MEMS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 • MEMS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
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现在MEMS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MEMS技术的发展， MEMS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MEMS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 µg (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
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基于MEMS的INS/GPS
• 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 GPS的抗干扰性能，同时保持低廉的价格
3 10 nmi/h 2.5 1 nmi/h 0.2 nmi/h
CEP (meters)
2 1.5 1 0.5 0 (All in View) (Vehicle Speed 207 mps) 0 20 40 60 80 100 120 140 160
Grid Coordinating Station Underground Facility SAR UAV Ground Control Station Optical Tracking UAV Ground Control Station
Grid Reference Station
Stationary or Moving Target
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VTE Hamlin
• 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
Silicon Designs Inc.
• 注册于 TRW 和Ford公司 • 小量生产， 包括电路 单价75美元
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MEMS 多传感器集成
Kearfott公司的 MVBM
1°/hr, 300 µg(in development)
L-3 µSCIRAS
军方的 Excalibur 项目 - INS/GPS 组合，用于灵巧炮弹 (15, 500 g)
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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5000万辆各种车辆 –Panasonic, 日本 -每年200百万套汽车导航系统 (压电晶体式陀螺) –British Aerospace/Sumitamo -每年700万只陀螺 –Systron Donner -200万只陀螺 – 其他还有很多 • 最重要的是MEMS的低价格
Gyroscopes
1 inch
1997 1st generation