現(xiàn)代軍用MEMS慣性傳感器技術(shù)進(jìn)展

李紅光

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

現(xiàn)代軍用MEMS慣性傳感器技術(shù)進(jìn)展

李紅光

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

現(xiàn)代化軍事需求小型慣性傳感器。技術(shù)已成熟的慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)包括機(jī)械陀螺、環(huán)形激光陀螺(RLGs)、光纖陀螺(FOGs)以及半球共振陀螺(HRGs)?，F(xiàn)在主要用于軍事的還有微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀和加速計(jì)。采用光子晶體光纖(PCFs)的干涉光纖陀螺(IFOGs)，即PC—IFOGs。重點(diǎn)闡述MEMS/集成光(IO)波導(dǎo)慣性傳感器技術(shù)進(jìn)展。分析小型陀螺儀和加速計(jì)技術(shù)發(fā)展前景及在未來(lái)快速反應(yīng)，精確打擊中的作用。

微電子機(jī)械系統(tǒng)； 慣性傳感器； MEMS陀螺； MEMS加速計(jì)； MEMS慣性測(cè)量?jī)x； 小型慣性測(cè)量?jī)x； 集成光波導(dǎo)陀螺

0 引 言

導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制技術(shù)歷經(jīng)100多年的發(fā)展，最初是用機(jī)械陀螺導(dǎo)航，現(xiàn)代慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)傳感器技術(shù)涉及諸多學(xué)科，包括機(jī)械工程、電子學(xué)、光電子學(xué)、量子電子學(xué)、光子學(xué)和原子物理學(xué)等學(xué)科?？v觀導(dǎo)航和制導(dǎo)傳感器技術(shù)發(fā)展歷程，每個(gè)階段發(fā)展都有新興科學(xué)技術(shù)作先行者。1960年世界第一臺(tái)激光器問(wèn)世。1963年，環(huán)形激光陀螺(RLGs)首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，1975年用于導(dǎo)航。1985年，光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展，借助光纖通信技術(shù)基礎(chǔ)，光纖陀螺(FOGs)用于導(dǎo)航。為了使FOGs小型化，仍然借助光纖通信工業(yè)中研制的光子晶體光纖(PCFs)的干涉光纖陀螺(IFOGs)研制成PC-IFOGs和集成光波導(dǎo)陀螺(IOGs)。

20世紀(jì)80年代，工業(yè)界首創(chuàng)用已有大規(guī)模集成電路制造技術(shù)制造微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)。1999年，美國(guó)陸軍航空和導(dǎo)彈指揮部(AMCOM)導(dǎo)彈研究開(kāi)發(fā)工程中心(MRDEC)確認(rèn)MEMS對(duì)滿足未來(lái)軍事任務(wù)要求有很高的應(yīng)用價(jià)值。MEMS技術(shù)在滿足導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)性能要求的條件下，追求減少導(dǎo)彈系統(tǒng)尺寸、重量和成本[1]。

實(shí)際上，現(xiàn)有慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)達(dá)到任務(wù)要求精度的上限。各種輔助和加強(qiáng)傳感器已經(jīng)組合到慣性系統(tǒng)，如全球定位系統(tǒng)(GPS)、速度計(jì)、導(dǎo)彈尋的器、 星跟蹤器、激光雷達(dá)等。GPS可用于輔助較低性能傳感器導(dǎo)航。GPS不是在任何條件下都能使用，如果存在干擾，在市區(qū)、室內(nèi)或隧道和山洞以及衛(wèi)星丟失情況下失靈，必須有其他導(dǎo)航傳感器很快完成導(dǎo)航。本文對(duì)已成熟的導(dǎo)航和制導(dǎo)技術(shù)不加贅述。

本文重點(diǎn)闡述MEMS/微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)慣性傳感器技術(shù)的進(jìn)展。MEMS已廣泛用于GPS，由PC-IFOGs發(fā)展成的IOGs 是MOEMS芯片式系統(tǒng),它將借用通信技術(shù)制造高精度、尺寸小、成本低的慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)傳感器，滿足未來(lái)軍備的需要。

1 MEMS慣性傳感器技術(shù)的進(jìn)展[2～4]

根據(jù)不同任務(wù)要求選擇慣性傳感器的性能等級(jí)，戰(zhàn)術(shù)、導(dǎo)航和戰(zhàn)略用陀螺和加速計(jì)性能分別為：1°/h和1 mgn,0.01°/h和25 μgn,0.001°/h和1 μgn。

在過(guò)去幾年，MEMS廣泛用于GPS。美國(guó)的Honeywell,Atlantic Inertial Systems以及Northrop Gumman/LITEF公司生產(chǎn)接近戰(zhàn)術(shù)級(jí)的全MEMS慣性測(cè)量單元(IMUs)。當(dāng)軍用戰(zhàn)術(shù)級(jí)全MEMS IMUs 技術(shù)成熟時(shí)，戰(zhàn)術(shù)級(jí)RLGs和IFOGs系統(tǒng)將被全MEMS IMUs替代。

1.1 MEMS加速計(jì)

MEMS加速計(jì)用2種方法探測(cè)加速度：其一，在加速條件下，擺動(dòng)或撓曲式支撐的檢測(cè)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，用電容變化或壓電量變化讀出其位移；其二，用檢測(cè)質(zhì)量塊負(fù)載變化引起拉力變化使振動(dòng)元件頻率變化，前者稱擺式或位移加速計(jì)，后者稱共振加速計(jì)或振動(dòng)梁加速計(jì)(VBAs)。擺式加速計(jì)可滿足戰(zhàn)術(shù)級(jí)到飛行器導(dǎo)航級(jí)多種應(yīng)用要求；共振加速計(jì)可以達(dá)到更高性能級(jí)應(yīng)用的要求。

1.1.1 MEMS位移加速器

MEMSZ軸位移加速計(jì)：Z軸在垂直儀器平面加速旋轉(zhuǎn)時(shí)，橫跨玻璃基片的轉(zhuǎn)矩彈簧撓曲支撐擺動(dòng)懸掛的檢測(cè)質(zhì)量塊。用絕緣片上的電極通過(guò)電容間隙變化探測(cè)運(yùn)動(dòng)。在1gn加速度時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量塊角度變化典型值為70 μrad，敏感間隙變化3×10-5mm，電容量變化峰值為12fF(10-15)。在15gn～100 μgn的動(dòng)態(tài)范圍，必須分辨3×10-9mm運(yùn)動(dòng)。

美國(guó)Northrop Grumman公司已經(jīng)研制2種軍用戰(zhàn)術(shù)級(jí)和導(dǎo)航級(jí)MEMS加速計(jì)，廣泛用于美國(guó)第四代空對(duì)空中程導(dǎo)彈(AMRAAM)、制導(dǎo)火箭彈(GMLRS)、偵察/攻擊直升機(jī)。

MEMS橫向位移加速計(jì)是指測(cè)量與Z軸垂直平面上二維方向加速度使檢測(cè)質(zhì)量塊產(chǎn)生的位移。通過(guò)橫跨“梳指”式結(jié)構(gòu)電容量的變化測(cè)量檢測(cè)質(zhì)量塊的位移。Z軸和橫向加速計(jì)組成三軸(x,y,z)加速計(jì)是最佳的加速計(jì)系統(tǒng),用3個(gè)平面芯片可實(shí)現(xiàn)三軸加速度測(cè)量。

據(jù)Colibrys公司報(bào)道生產(chǎn)的RS9000系列加速計(jì)是全硅三維結(jié)構(gòu)高精度加速計(jì)，在運(yùn)行中零偏穩(wěn)定性為120 μgn，啟動(dòng)后的重復(fù)性為1 mgn，標(biāo)度因數(shù)精度為400 pmm(10-6)[5]。

1.1.2 MEMS共振加速計(jì)

普通的共振梁加速計(jì)可以是Z軸或橫向加速計(jì)。這種加速計(jì)是通過(guò)測(cè)量慣性質(zhì)量塊負(fù)載的條件下，梁式振蕩器共振頻率的變化,用電容或壓電方法測(cè)量共振頻率變化。

Draper Lab研制的硅振蕩加速計(jì)(SOA)和Honeywell公司的戰(zhàn)略共振梁加速計(jì)(SRBA)。前者性能為1 μgn，標(biāo)度因數(shù)精度為10-6[8],這種共振加速計(jì)可用于導(dǎo)彈制導(dǎo)和艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[9]。

1.2 MEMS陀螺儀

MEMS慣性系統(tǒng)達(dá)到的陀螺性能比實(shí)現(xiàn)加速計(jì)性能更難?？评飱W利(Coriolis)力是所有振動(dòng)陀螺儀的理論基礎(chǔ)。MEMS Coriolis振動(dòng)陀螺主要有如下3種：

MEMS振動(dòng)梁(音叉式)陀螺：1990年，美國(guó)Systron Donner 公司開(kāi)始生產(chǎn)用于空軍迷路(Maverick)導(dǎo)彈的音叉式陀螺，2年生產(chǎn)18 000只石英陀螺，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始研究小型高gn、高精度軍用慣性測(cè)量?jī)x。

MEMS振動(dòng)平板陀螺儀：Draper Lab研制的平板式陀螺儀(TFG—2)見(jiàn)圖1。2個(gè)硅檢測(cè)質(zhì)量板通過(guò)折疊梁懸掛在玻?；迳希@種雙端平板式陀螺尺寸為300 μm×400 μm。用Coriolis力產(chǎn)生垂直平面敏感運(yùn)動(dòng),通過(guò)質(zhì)量板和基片之間的電容變化探測(cè)垂直平面的敏感運(yùn)動(dòng)。TFG現(xiàn)在已達(dá)到3°/h～50°/h性能,工作溫度范圍在-40～85 ℃，輸入沖擊12 000gn，可以工作數(shù)月。這項(xiàng)研究結(jié)果已通過(guò)軍方有關(guān)部門驗(yàn)證[10]。Honeywell 公司生產(chǎn)的高gn產(chǎn)品HGI900系列慣性測(cè)量?jī)x采用了振動(dòng)平板技術(shù)。

圖1 MEMS振動(dòng)平板陀螺儀(TFG—2)俯視圖Fig 1 Top view of MEMS vibrating plate gyroscope (TFG—2)

美國(guó)加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制的2-DOF四葉草形狀MEMS共振陀螺[11]。已研制裝載萬(wàn)向架結(jié)構(gòu)上的MEMS陀螺,用電磁方法驅(qū)動(dòng)和探測(cè)[12]。

MEMS共振環(huán)形陀螺：MEMS共振環(huán)形陀螺結(jié)構(gòu)有2個(gè)優(yōu)點(diǎn):其一，驅(qū)動(dòng)和敏感振動(dòng)能量都在一個(gè)平面上，其二，環(huán)形結(jié)構(gòu)有一個(gè)低振動(dòng)質(zhì)量塊;缺點(diǎn)是標(biāo)度因數(shù)較低。

BAE Systems公司研制的硅振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺(SiVSG)，2000年已成功用于中程Tri-Nation制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈以及其他軍用系統(tǒng)。

2 IOGs

IOGs技術(shù)是以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，借用全光通信技術(shù)的發(fā)展，在一個(gè)芯片上集成很多具有復(fù)雜功能的微光電機(jī)械組件，諸如:激光器、放大器、信號(hào)復(fù)用器/信號(hào)分離器、濾波器、光柵、調(diào)制器和開(kāi)關(guān)等微光電機(jī)械組件。芯片的基片是晶體、玻璃、聚合物或半導(dǎo)體。實(shí)際上，IOGs是MOEMS芯片陀螺[13～18]。

在過(guò)去的幾十年里，一直致力于研究、設(shè)計(jì)制造復(fù)雜的光子集成線路(photonic integrated circuits,PICs)，把若干個(gè)微光學(xué)組件集成在一個(gè)芯片上，如，在InP基片上的PICs包含50個(gè)微光電機(jī)械組件，以得到驗(yàn)證[19]。

在主動(dòng)IOGs陀螺中，環(huán)形激光器內(nèi)受激產(chǎn)生2個(gè)共振模式。用干涉技術(shù)測(cè)量由于旋轉(zhuǎn)引起的頻率偏移。

被動(dòng)IOGs角速度傳感器可以是相位或頻率靈敏的陀螺。在相位靈敏的陀螺中，測(cè)量由于旋轉(zhuǎn)引起環(huán)形干涉儀中方向相反的2束光相位偏移。在頻率靈敏感的陀螺中，測(cè)量與順時(shí)和逆時(shí)針傳播2束光相關(guān)的光學(xué)腔的2個(gè)共振頻率。已制造了主動(dòng)和被動(dòng)的IOGs，大部分被動(dòng)IOGs是測(cè)頻率的?，F(xiàn)在也制造相位靈敏的IOG——采用的材料有InP,GaAs,SiO2,LiNbO3。未來(lái)研究的方向是測(cè)量角速度的PICs[20,21]。

3 非常規(guī)MEMS陀螺儀的研究

2009年，DARPA開(kāi)創(chuàng)另一個(gè)計(jì)劃，研制微型速度集成陀螺(MRIG)，這種陀螺儀是直接提供速度信息而不提供角度信息，這樣可克服現(xiàn)有MEMS陀螺限制。此計(jì)劃要求用創(chuàng)新的方法。

冷原子傳感器一個(gè)有潛力有前途的原子干涉慣性傳感器正處于早期研究階段。原子具有波動(dòng)性，原子干涉儀可使陀螺儀、加速計(jì)、重力計(jì)和時(shí)鐘達(dá)到最高精度。

2007年,Stanford University已驗(yàn)證差分加速計(jì)分辨率為10-11gn,可用于未來(lái)潛艇平臺(tái)導(dǎo)航[22,23]。原子干涉慣性傳感器可以用微細(xì)加工方法制造磁—光原子捕集器。此外，還開(kāi)展懸浮自旋質(zhì)量、微核磁共振和圓盤共振器3個(gè)方向研究。

4 未來(lái)展望

在未來(lái)10年,MEMS慣性傳感器性能仍有大于1個(gè)數(shù)量級(jí)提高的空間,這取決于尺寸減少的有效性，微細(xì)加工的精度、芯片包裝是組件關(guān)鍵問(wèn)題。促進(jìn)微型高性能慣性傳感器快速發(fā)展是一個(gè)系統(tǒng)工程問(wèn)題，必須建立研究者，設(shè)計(jì)者和MEMS/電子系統(tǒng)供應(yīng)商之間戰(zhàn)略聯(lián)盟?，F(xiàn)有光學(xué)慣性測(cè)量?jī)x器的性能和成本見(jiàn)圖2。

圖2 捷聯(lián)式(無(wú)萬(wàn)向架)光學(xué)慣性測(cè)量?jī)x成本與性能之間的關(guān)系Fig 2 Relationship between cost and characteristics of strapdown (no gimbaled) optical inertical measuring instrument

加速計(jì)未來(lái)可能用于新的軍事計(jì)劃。到2020年，MEMS/MOEMS可能在軍事上有許多新的應(yīng)用，要進(jìn)一步提高性能，設(shè)計(jì)者開(kāi)始研究幾何形狀、尺寸、電子系統(tǒng)、包裝對(duì)性能和可靠性的影響。MOEMS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)MEMS陀螺儀采用光學(xué)讀出系統(tǒng)，這種技術(shù)將先出現(xiàn)在光通信工業(yè)，更小型、高精度MOEMS陀螺儀將借用此技術(shù)而發(fā)展。在戰(zhàn)略導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域里IFOGs占主導(dǎo)地位，現(xiàn)在正在研究硬輻射和超高性能IFOGs。

未來(lái)導(dǎo)彈系統(tǒng)有3種：其一，飛機(jī)、艦船和潛艇載超音速遠(yuǎn)距離精確打擊導(dǎo)彈；其二,無(wú)定向巡航無(wú)人機(jī)攜帶超音速導(dǎo)彈；其三，無(wú)人機(jī)攜帶巡航導(dǎo)彈。這3種情況都要求系統(tǒng)重量輕，高精度制導(dǎo)，快速反應(yīng)，近于實(shí)時(shí)打擊。由于發(fā)射導(dǎo)彈量大，要求每次發(fā)射有最低成本。

這種精確打擊的合作能力近于實(shí)時(shí)打擊目標(biāo)，要通過(guò)戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星或無(wú)人機(jī)上的傳感器獲得信息，所以,INS/GPS是先進(jìn)的指令、控制、通信、計(jì)算機(jī)、智能、監(jiān)視、偵查(C4ISR)網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目中關(guān)鍵技術(shù)。C4ISR網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)打擊目標(biāo)精度為1 m[24]。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在過(guò)去30年，現(xiàn)代化軍事裝備需要性能高、尺寸小、成本低的導(dǎo)航和制導(dǎo)傳感器。MEMS/MOEMS組成的慣性傳感器，性能好于戰(zhàn)術(shù)級(jí)，尺寸小，成本低，廣泛用于GPS。

根據(jù) PC-IFOGs原理和光通信波導(dǎo)概念研制芯片式集成光波導(dǎo)陀螺(IOGs),在一芯片上集成各種功能的微光電機(jī)械組件，可進(jìn)一步減少尺寸，降低成本，提高可靠性。估計(jì)在未來(lái)10年，MEMS/MOEMS慣性傳感器性能可能提高1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

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Progress on technologies of MEMS inertial sensors for modern military

LI Hong-guang

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)

Miniature inertial sensors are required in modern military.Mature technologies inertial navigation system includes mechanic gyros,ring laser gyros (RLGs),fiber-optic gyros (FOGs) and hemispherical resonant gyros (HRGs) .Now some MEMS gyros and accelerometers have been used for military.Interference fiber-optic gyros(IFOGs) using photonic crystal(PC) ( PC—IFOGs) is researched.Technical progress of MEMS/ integrated optical (IO) waveguide inertial sensors are described emphatically.Prospect of miniature gyros and accelerometers technologies and functions in precise strike for military in the future are analyzed.

micro-electro-mechanical system (MEMS); inertial sensor; MEMS gyro; MEMS accelerometer; MEMS inertial measurement units(MEMS IMU); miniature IMU；IO waveguide gyro

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0004—04

2014—01—22

TH 745； TN 256； TN 252； TN 253

A

1000—9787(2014)08—0004—04

李紅光(1968-)，男，黑龍江佳木斯人，高級(jí)工程師，主要從事靶場(chǎng)測(cè)控儀器研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。