摘要：诺斯罗普·格鲁曼和利特夫公司正在通过使用目标精度为5°/小时的陀螺仪和2.5毫克的加速度计为未来的航姿参考系统（AHRS）开发基于惯性测量单元（IMU）的MEMS （微机电系统）。

在科技发展阶段，原型单轴陀螺仪已经能够实现和广泛的测试包括温度，声音和振动敏感的效果。

这些设备采用深反应离子蚀刻（DRIE）来处理微加工全硅陀螺仪传感器芯片。

硅熔融粘结确保压力比310-2毫巴小。

在复杂的模拟电子和数字信号处理条件中电容拾取信号，并实现全闭环操作。

目前的结果与整体偏差小于2°/ h到5°/ h，比例因子误差<1200 ppm，测量范围>1000°/ s和角度随机游走较小<0.4°/√h表明，稳定生产5°/ h的陀螺仪是现实的。

电容的制造工艺，摆式加速度计芯片是基于仅在陀螺上增加了封闭的压力来获得过临界阻尼。

在一个数字控制环路中的脉冲宽度调制（PWM）被用来实现闭环操作。

加速度计芯片已经测试过一个残留偏移误差<2.0毫克和比例因子误差<1400ppm的温度。

这些传感器芯片已集成到一个IMU，其中传感器电子的功率预算和尺寸已经进行了优化。

本文中的陀螺仪和加速度计的设计的显著特征是与IMU系统架构的概述一起呈现的。

测量结果侧重于环保特性和耐用性。

1.引言
航姿参考系统（AHRS）提供相对于地球重力矢量的俯仰角和横滚角和相对于真北方向的偏航角。

这样的系统都需要一个惯性测量单元（IMU），其能够测量三轴角速率和加速度。

可以采用增强磁力的方法来以提高长期稳定性。

迄今为止，角速度测量通常用于使用机械，光纤或环形激光陀螺仪的测量。

然而所有三种技术都能够提供AHRS系统所需的性能，它们都有在实现低生产成本的解决方案时的限制。

相比之下微机电系统（MEMS），产生了使用间歇过程，有着大幅调低一个AHRS系统成本的潜力。

在超过十年的时间里，MEMS传感器测量加速度和角速度已经非常普遍的存在于许多应用领域中，如汽车安全系统和消费电子产品[1]。

然而，虽然MEMS加速度计已经成功的应用于AHRS系统[2]本领域迄今仍然是MEMS
陀螺仪的一个挑战。

据我们所知，根据美国联邦航空管理局（FAA）技术标准超五类令（TSO-超五类）关于陀螺（DG）模型的操作方向，没有AHRS利用MEMS陀螺仪就已经被认定为合格。

DG模式用于多种应用包括大型商用飞机，飞行接近地磁北极以及直升机从石油钻井平台或其他大型金属结构来回。

IMU被用于DG模式操作所需要的总误差不应超过5°/小时（1σ）。

与此相反，典型的汽车传感器在每秒度被指定。

AHRS加速度计需要总误差不超过2.5毫克（1σ）。

MEMS陀螺仪的整体偏移误差由传感器的环境，即温度，振动和噪音的变化造成的。

在典型AHRS环境中振动和噪声的电平是中等的并且挑战主要是获得足够低的温度误差。

对于在苛刻环境条件下衍生应用的潜在用途的IMU（如战术导弹），它在用于设计传感器元件对振动和声学干扰的高耐用性，同时保持较低的温度敏感性时就成了必不可少的。

2. MEMS陀螺仪
MEMS陀螺仪已经开发并演示了近二十年[1]同时被广泛应用于汽车和消费应用。

最近公布的MEMS陀螺仪[3]显示了在角度随机游走（ARW）和偏置稳定性（即闪烁噪声，有时也被称为偏置漂移）方面有显著地提高性能。

然而，在结合优秀的ARW和偏置不稳定与其他要求包括带宽与温度稳定性时， MEMS陀螺仪有着困难。

首次提出以下的概念，介绍了航空电子/战术级IMU闭环MEMS陀螺仪。

A．基本概念
开盖传感器陀螺仪的一个截面示意图显示在图1（a），一个俯视示意图显示在图1（b），装置的一个显微照显示在图1（c）。

微硅陀螺的工作原理是基于一种改性的两平面内振动模式的音叉配置。

所谓“双线结构”（DLC）的激发和检测模型是由两个正交，线性反相振荡器组成。

由于永久驱动励磁转速绕垂直于被两个振荡模式所定义平面的轴，结果在科里奥
利用力驱动检测振荡中。

各种各样的梳状结构被用作静电力矩器元件和用作电容的选择取舍。

这允许了激发振荡控制和科里奥利力与正交的再平衡。

回顾目的是要达到5°／h的精度要求。

这意味着几个关键的挑战需要被处理，这可以作为以下粗略估计的说明。

驱动振荡的激励模式通常暴露的加速度约为4000克。

使传感器绕着它的敏感轴以5°／h旋转，使振荡科里奥利加速度在较低的µG范围。

因此，任何不必要的在激发和检测模型之间的时变耦合效应都必须小于一个10-9的因素。

一个传感器误差模型的详细分析已经确定了振动MEMS陀螺仪误差达到5°／h [ 4 ]的四个主要要求：
(i)闭环运行的激发和检测模式
(ii)机械品质因素Q>>1000
(iii)完善的激励与检测模式之间的模式匹配
(iv)用于制造误差补偿的辅助控制回路产生不必要的模式耦合效应。

深反应离子刻蚀（DRIE）被用作是全硅陀螺制造的关键技术。

2.5um的电极间隙和50um的
装置层厚度得以实现。

通过硅融合实现黏结压力小于3*10-2.。