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第1章 绪论 1.1 研究课题的背景 我们经常提及的微机电系统(MEMS， Microelectronic Mechanical Systems)，是二十世纪末，二十一世纪初兴起的工程科学，它是现在一个十分活跃的研究领域。经过了这几十年的发展，微机电系统己经成为了全球瞩目的新兴科技领域之一。 它也涉及到多种交叉学科，并具有非常广阔的应用前景。MEMS继承了微电子技术并具有以下特征：体积比较小、重量相对较轻、性能也很稳定。可通过IC等工艺进行成批量地加工和生产、成本较便宜，性能一致性好：功耗低；谐振频率高、响应时间较短；集成度高等。基于MEMS技术的器件不仅具有信号处理功能，还具有对外界的感应和作用功能，以此为基础而发展起来的高精度、高集成度的智能化微型传感器及执行器将成为众多技术领域的核心器件，对现在及未来人们的社会生产和生活方式将产生革命性的影响[1]。MEMS技术的迅猛发展促进了各类微型传感器的研究。其中，微惯性器件(主要指微加速度计和微陀螺仪)就是一类典型的MEMS微传感器，是惯性器件的一个重要分支。随着微加速度计和微陀螺仪性能上的不断提高，极大地推动了微惯性测量组合(MIMU)的发展。MIMU是种新型的捷联惯导系统(Strapdown InertialNavigation System，SINS)，它继承了传统SINS的特性[2]：完全自主式、保密性强(在军事应用领域显得尤为重要)、也不存在信号被电磁干扰且很灵活；同时，它还比传统的SINS多出许多优点：重量轻、成本低、功耗较低、可靠性高、动态范围宽、响应速度快和便于安装调试等。现在外国的微惯性测量组合技术已发展30多年了，西方国家尤其是美国，在MEMS惯性器件、微惯性测量技术以及微惯性导航技术等方面处于领先的优势[3]。微惯性测量组合主要应用于军事领域，其高可靠性、小体积和抗恶劣环境的能力使其广泛地应用于战术导弹、炮弹的惯性导航系统，另一个主要应用领域是汽车领域。因此，微惯性测量组合的应用前景也越来越广阔，其研究工作也受到很大的重视。 1.2微惯性測量组合的研究现状 一般的微惯性测量组合的集成电子线路由三部分构成：数据处理组件，传感器电路组件与转换电路组件。最终目标是将所有功能模块集成在一块硅片上。每一个惯性仪表都有专用集成电路并产生相应的输出，送给微处理器进行数据处理产生导航信息。德雷珀实验室1994年研制成微惯性测量组合，它由6个传感器组成，其中包括了3个微机械陀嫘仪和3个微机械加速度计，配置在立方体的三个正交面上。 在1967年，美国利登(Litton)公司受美国工程兵测绘实验室的委托对原有的定位系统进行改进，终于在1972年成功地生产了世界上第一台惯性测量系统，取名为位置和方位测定系统(Position and Azimuth Determining System),简称PADS系统。起初主要给军队使用，从1975年开始供应市场。而美国国防部的DARPA(国家高级研究计划局)和其他部门在MEMS惯性导航技术方面的投入研究成本也在逐渐增加，着重研究低成本、高效率的导航系统。在研发出的这类组合系统中，美国的德富铂实验室的地形剖面航测系统（APTS）即是一个成功的例子。另外又如西德波恩大学等有关单位所研制的矿井惯性测量系统(ISSM),由于煤层开采，矿井会发生变形，为了保证安全生产，需对矿井经常性德测量，该系统圆满地解决了这一问题。由于诸多研究机构进行惯性测量方面的研究，成效非常明显，系统正往更高精度、组合导航方向发展。自上世纪90年代初著名研究机构Draper将MEMS惯性技术用于军用领域，下表可体现其研究工作进展： 表1 Draper[6] 项目名称 时间 体积/cm3 MEMS INS 中的IMU 与GPS组合方式 IMU构成 陀螺飘移(°)/h 加表零偏/10-3g ERGM（Extend-Range Guided Munition） 1995 2065 6个单轴MEMS惯性器件 500 20 C/A码GPS紧组合 CMATD(Competent Munitions Advanced techmology Dempnstration) 1997 214 6个单轴MEMS惯性器件 50 1mg P码GPS紧组合 MMIMU(MEMS IMU) 2000 131 2个三轴惯性测量模块 10 0.1 P/Y码GPS深组合 Low-Cost INS/GPS 2002-2005 49 1个六轴惯性测量模块 1 0.1 利用GPS芯片深组合 另外一些外国科研机构也在进行微型惯性测量组合在导航等应用领域的研究。我国研制的惯性测量系统在1979年获得成功，其测试结果表明它的精度相应于PADS系统，现在正致力于提高可靠性、精度等研究。在“八五”、“九五