美國斯坦福大學(xué)Thomas W.Kenny團(tuán)隊(duì)也利用多環(huán)環(huán)形陀螺電極擺放自由的優(yōu)勢(shì),將電極安置在環(huán)與環(huán)之間,其優(yōu)勢(shì)在于相比于外環(huán)安置電極方法電極數(shù)量有成倍的增長。隨著電極數(shù)量的增多,驅(qū)動(dòng)電容量與檢測(cè)電容量也隨之增大,只需較低電壓便可完成驅(qū)動(dòng)與控制,同時(shí)也可提高檢測(cè)靈敏度。在模態(tài)匹配工作模式下,標(biāo)度為1.37 mV/((°)·s?1) ,角度隨機(jī)游走為0.29(°)/√h。為提升多環(huán)環(huán)形陀螺性能,此團(tuán)隊(duì)還采用了許多方法。例如為了提升諧振子的品質(zhì)因數(shù),降低振型位移的誤差,在多環(huán)環(huán)形諧振子表面覆蓋了薄薄的一層氧化物,使得諧振子的表面粗糙度降低了10倍,提升了諧振子幾何參數(shù)的均勻性,品質(zhì)因數(shù)提升了30%,艾倫方差零偏不穩(wěn)定性為1.43(°)/h,角度隨機(jī)游走為0.18(°)/√h。
2008年,噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)聯(lián)合伯克利大學(xué)采用自動(dòng)增益控制(AGC)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)和力平衡檢測(cè)閉環(huán)方案,在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)多環(huán)環(huán)形MEMS陀螺的控制。該方案可對(duì)環(huán)路中的FIR濾波器以及環(huán)路增益進(jìn)行配置,以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的陀螺和陀螺老化帶來的參數(shù)變化問題,相對(duì)于模擬電路,更加靈活,零偏穩(wěn)定性達(dá)到0.25(°)/h。
2014年,波音公司報(bào)道了一種包含驅(qū)動(dòng)閉環(huán)、力平衡檢測(cè)閉環(huán)與環(huán)境干擾補(bǔ)償?shù)亩喹h(huán)環(huán)形MEMS陀螺。該陀螺利用半實(shí)物仿真工具實(shí)現(xiàn)了原型樣機(jī)的快速設(shè)計(jì)。陀螺諧振子的直徑為8 mm,品質(zhì)因數(shù)為50000~100000,采用誤差建模和補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)了0.01(°)/h的艾倫方差零偏不穩(wěn)定性,0.0023(°)/√h的角度隨機(jī)游走以及0.04(°)/h 的上電重復(fù)性,為當(dāng)時(shí)報(bào)道過的MEMS陀螺的最高性能。
Sensonor公司的三軸陀螺儀STIM210,陀螺量程為±400(°)/s,全溫零偏誤差為10(°)/h,角度隨機(jī)游走為0.15(°)/√h,如圖3所示。另外,國外的VTI、ST和InvenSense等公司研制了三軸單芯片集成的MEMS陀螺產(chǎn)品,如圖4所示。這些產(chǎn)品的誤差多集中在零偏穩(wěn)定性幾十到幾百度每小時(shí)以內(nèi),線性度0.1%以上,多用于手機(jī)、體感控制等消費(fèi)類電子領(lǐng)域。
2018 年,在意大利召開的第五屆慣性傳感器與系統(tǒng)國際研討會(huì)上,發(fā)布了很多關(guān)于MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺的最新進(jìn)展,說明MEMS技術(shù)研究已成為慣性傳感器領(lǐng)域不可忽略的重要組成部分。人工智能、自主導(dǎo)航等新興技術(shù)給MEMS慣性傳感器的發(fā)展帶來了機(jī)遇,也讓其面臨著更多的挑戰(zhàn)。
3、微慣性測(cè)量組合
微慣性測(cè)量組合(MIMU)是基于MEMS技術(shù)的新型慣性測(cè)量器件,用來測(cè)量物體的三軸角速度和三軸加速度信息,是實(shí)現(xiàn)微小型無人機(jī)、交通工具等導(dǎo)航制導(dǎo)的核心部件。
從20世紀(jì)90年代開始,美國軍事部門就很重視MEMS慣性器件在武器制導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。
DARPA資助了一系列旨在演示驗(yàn)證MEMS慣性器件應(yīng)用于制導(dǎo)彈藥(如炮彈、火箭彈等)領(lǐng)域的相關(guān)計(jì)劃,研制的 MEMS 慣性制導(dǎo)系統(tǒng)體積不斷減小、精度和集成度不斷提升。
目前,國外微慣性測(cè)量組合MIMU的實(shí)現(xiàn)途徑主要有兩種,其中一種是將三個(gè)單軸加速度傳感器和三個(gè)單軸陀螺儀通過立體組裝到一起分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向加速度信號(hào)和角速度信號(hào)的測(cè)量。主要的廠家包括美國Honeywell公司、美國UTC公司、挪威Sensonor公司等,都研制出了微慣性測(cè)量組合產(chǎn)品,并且在無人機(jī)、航空制導(dǎo)炸彈、精確制導(dǎo)導(dǎo)彈等為代表的戰(zhàn)術(shù)武器中得到了工程驗(yàn)證和應(yīng)用。
美國Honeywell公司在獲得了Draper實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)陀螺和扭擺式加速度傳感器的技術(shù)授權(quán)的基礎(chǔ)上,制定了圍繞MEMS慣性傳感器展開小型化和超小型化IMU的發(fā)展計(jì)劃,主要應(yīng)用于武器系統(tǒng)制導(dǎo)中。其較成熟的產(chǎn)品包括精度較高的HG1900型MEMS慣性測(cè)量組合產(chǎn)品和HG1930抗高過載MEMS慣性測(cè)量組合產(chǎn)品,如圖5所示。其中HG1930由三個(gè)MEMS加速度傳感器和三個(gè)MEMS陀螺儀組裝。三個(gè)加速度傳感器和三個(gè)陀螺儀均為單軸模塊,和電源模塊與信號(hào)處理模塊共同完成六軸測(cè)量。陀螺的量程最大可達(dá)7200(°)/h,零偏重復(fù)性20(°)/h,加速度傳感器最大量程達(dá)到85g,零偏重復(fù)性5mg,整個(gè)系統(tǒng)功耗小于3W。
UTC公司的微慣性測(cè)量組合慣性系統(tǒng)SiIMU02如圖6所示。系統(tǒng)中的集成式硅基MEMS陀螺零偏不穩(wěn)定性6.5(°)/h,角度隨機(jī)游走0.5(°)/√h,該產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類制導(dǎo)炮彈、制導(dǎo)火箭彈中。