美國斯坦福大學Thomas W.Kenny團隊也利用多環環形陀螺電極擺放自由的優勢,將電極安置在環與環之間,其優勢在于相比于外環安置電極方法電極數量有成倍的增長。隨著電極數量的增多,驅動電容量與檢測電容量也隨之增大,只需較低電壓便可完成驅動與控制,同時也可提高檢測靈敏度。在模態匹配工作模式下,標度為1.37 mV/((°)·s?1) ,角度隨機游走為0.29(°)/√h。為提升多環環形陀螺性能,此團隊還采用了許多方法。例如為了提升諧振子的品質因數,降低振型位移的誤差,在多環環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的均勻性,品質因數提升了30%,艾倫方差零偏不穩定性為1.43(°)/h,角度隨機游走為0.18(°)/√h。
2008年,噴氣推進實驗室(JPL)聯合伯克利大學采用自動增益控制(AGC)驅動閉環和力平衡檢測閉環方案,在FPGA平臺上實現了對多環環形MEMS陀螺的控制。該方案可對環路中的FIR濾波器以及環路增益進行配置,以適應不同結構參數的陀螺和陀螺老化帶來的參數變化問題,相對于模擬電路,更加靈活,零偏穩定性達到0.25(°)/h。
2014年,波音公司報道了一種包含驅動閉環、力平衡檢測閉環與環境干擾補償的多環環形MEMS陀螺。該陀螺利用半實物仿真工具實現了原型樣機的快速設計。陀螺諧振子的直徑為8 mm,品質因數為50000~100000,采用誤差建模和補償技術實現了0.01(°)/h的艾倫方差零偏不穩定性,0.0023(°)/√h的角度隨機游走以及0.04(°)/h 的上電重復性,為當時報道過的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陀螺產品,如圖4所示。這些產品的誤差多集中在零偏穩定性幾十到幾百度每小時以內,線性度0.1%以上,多用于手機、體感控制等消費類電子領域。
2018 年,在意大利召開的第五屆慣性傳感器與系統國際研討會上,發布了很多關于MEMS加速度計和MEMS陀螺的最新進展,說明MEMS技術研究已成為慣性傳感器領域不可忽略的重要組成部分。人工智能、自主導航等新興技術給MEMS慣性傳感器的發展帶來了機遇,也讓其面臨著更多的挑戰。
3、微慣性測量組合
微慣性測量組合(MIMU)是基于MEMS技術的新型慣性測量器件,用來測量物體的三軸角速度和三軸加速度信息,是實現微小型無人機、交通工具等導航制導的核心部件。
從20世紀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領域的應用與發展。
DARPA資助了一系列旨在演示驗證MEMS慣性器件應用于制導彈藥(如炮彈、火箭彈等)領域的相關計劃,研制的 MEMS 慣性制導系統體積不斷減小、精度和集成度不斷提升。
目前,國外微慣性測量組合MIMU的實現途徑主要有兩種,其中一種是將三個單軸加速度傳感器和三個單軸陀螺儀通過立體組裝到一起分別實現三個方向加速度信號和角速度信號的測量。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量組合產品,并且在無人機、航空制導炸彈、精確制導導彈等為代表的戰術武器中得到了工程驗證和應用。
美國Honeywell公司在獲得了Draper實驗室振動陀螺和扭擺式加速度傳感器的技術授權的基礎上,制定了圍繞MEMS慣性傳感器展開小型化和超小型化IMU的發展計劃,主要應用于武器系統制導中。其較成熟的產品包括精度較高的HG1900型MEMS慣性測量組合產品和HG1930抗高過載MEMS慣性測量組合產品,如圖5所示。其中HG1930由三個MEMS加速度傳感器和三個MEMS陀螺儀組裝。三個加速度傳感器和三個陀螺儀均為單軸模塊,和電源模塊與信號處理模塊共同完成六軸測量。陀螺的量程最大可達7200(°)/h,零偏重復性20(°)/h,加速度傳感器最大量程達到85g,零偏重復性5mg,整個系統功耗小于3W。
UTC公司的微慣性測量組合慣性系統SiIMU02如圖6所示。系統中的集成式硅基MEMS陀螺零偏不穩定性6.5(°)/h,角度隨機游走0.5(°)/√h,該產品已經廣泛應用于各類制導炮彈、制導火箭彈中。