戰(zhàn)術導彈用MEMS陀螺儀研制進展及關鍵技術

李偉忠，孫 鵬

（1．海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海201108；2．北京航天控制儀器研究所，北京100039）

戰(zhàn)術導彈用MEMS陀螺儀研制進展及關鍵技術

李偉忠1，孫 鵬2

（1．海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海201108；2．北京航天控制儀器研究所，北京100039）

MEMS陀螺儀具有體積小、質量輕、啟動快、可靠性高、價格低、易于大批量生產、能承受惡劣環(huán)境條件等突出優(yōu)勢，可廣泛應用于防空導彈、反坦克導彈、便攜式導彈、航空制導炸彈等制導武器。介紹了MEMS陀螺儀的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀，分析了戰(zhàn)術導彈對MEMS陀螺儀的應用需求，指出了MEMS陀螺儀在戰(zhàn)術導彈型號應用中需解決微機械加工工藝、全溫性能指標、復合力學環(huán)境等關鍵技術問題，對MEMS陀螺儀在戰(zhàn)術導彈中的應用具有指導意義。

MEMS；陀螺儀；戰(zhàn)術導彈

0 引言

MEMS技術是一個多學科交叉的前沿性領域，以微電子技術為基礎，通過系統(tǒng)構架技術和算法軟件技術，將微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源集成于一體，構成一個微型多功能機電系統(tǒng)。MEMS技術對復雜系統(tǒng)設計和精確制導武器的發(fā)展產生了巨大的推動作用。根據(jù)美國國防部公開出版物披露，已經(jīng)有若干微型技術產品加入美軍方武器庫，按功能分，大致有3個方面：武器慣性測量、飛行器導航與穩(wěn)定以及用于武器保養(yǎng)的分布式傳感器技術［1］。

采用MEMS慣性傳感器，是防空導彈、反坦克導彈、便攜式導彈、航空制導炸彈、制導彈藥等制導武器系統(tǒng)的必然選擇。預計到2020年美軍90%的制導武器將采用MEMS慣性傳感器［2］，如圖1所示。

圖1 2020年美軍90%的制導武器將采用MEMS慣性傳感器Fig.1 About 90%guided weapon will use MEMS inertial sensors by 2020 in USA

1 戰(zhàn)術導彈對MEMS陀螺儀的需求分析

根據(jù)陀螺儀的精度不同，陀螺儀產品分為戰(zhàn)略、導航、戰(zhàn)術和商業(yè)共4個等級，圖2給出了陀螺儀的精度范圍［3］。目前，MEMS陀螺儀的精度主要適用于戰(zhàn)術導彈、中近程制導、飛行控制、靈巧彈藥等軍用領域，主要用于導航制導、姿態(tài)測量與穩(wěn)定控制等方面。

1.1 對微型化低功耗的要求

隨著軍事技術的不斷發(fā)展，導彈的作戰(zhàn)能力日益增強，導彈攻防對抗日趨激烈。為應對不斷發(fā)展的新型導彈威脅，世界軍事強國高度重視顛覆性技術發(fā)展及作戰(zhàn)概念創(chuàng)新，以期獲得克敵制勝的作戰(zhàn)優(yōu)勢，改變未來導彈攻防作戰(zhàn)樣式。

影響導彈發(fā)展的顛覆性技術之一即微系統(tǒng)技術。微系統(tǒng)技術可促進導彈的微小型化和智能化，能夠有效降低系統(tǒng)尺寸、質量與能耗，提高系統(tǒng)性能。采用微系統(tǒng)技術研制的MEMS陀螺儀有體積小、質量輕、集成化程度高、功耗低等優(yōu)點，適用于戰(zhàn)術導彈的制導系統(tǒng)、光學伺服穩(wěn)定機構、姿態(tài)控制系統(tǒng)等。

1.2 對制導精度的要求

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要和現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，采用小型武器進行精確打擊代表著未來軍事高科技的發(fā)展趨勢，對制導精度也提出了新的要求，進一步拓展了MEMS陀螺儀在戰(zhàn)術導彈中的應用領域。

圖2 陀螺儀的精度范圍Fig.2 Accuracy range of gyro

旋轉導彈彈體滾動軸向高速旋轉，高達9000（°）/s。長期以來，旋轉導彈彈旋頻率一直無法直接實時測量，主要是無法滿足彈體結構尺寸（小體積）和大的測量范圍的要求。針對旋轉導彈彈旋頻率測量的需求，出現(xiàn)了一種大量程MEMS陀螺儀，可廣泛應用于艦載防空導彈、便攜式防空導彈、反坦克導彈等旋轉導彈中［4］。

當導彈接近目標時，彈體抖動加大，若無角速度傳感器構成的阻尼回路將導致脫靶量增加。對偏航MEMS陀螺儀提出了明確需求，用于穩(wěn)定回路（阻尼回路）的角速度反饋，以增加導彈的等效阻尼系數(shù)，輸出與彈體偏航軸角速度成比例的正弦波信號。

穩(wěn)像技術作為精確制導武器的主要技術力量成為未來精確制導一個重要發(fā)展方向，采用輔助穩(wěn)像設備的紅外成像導引頭是導彈的重要組成部分。MEMS陀螺儀成為輔助穩(wěn)像設備的必然選擇，也直接影響了穩(wěn)像的質量［5］。

1.3 對環(huán)境適應性的要求

環(huán)境適應性與武器裝備的戰(zhàn)術技術性能指標一樣，是衡量武器裝備設計優(yōu)劣以及研制質量的重要指標，直接影響到武器裝備的實際作戰(zhàn)效能。

戰(zhàn)術導彈作戰(zhàn)使用環(huán)境復雜，貯存周期長，可靠性要求高，飛行條件下的噪聲、振動、過載、溫度等環(huán)境條件惡劣，要求慣性儀表必須具有很高的性能及較好的長期穩(wěn)定性。MEMS陀螺儀環(huán)境適應性強、可靠性高的特點能夠較好地滿足戰(zhàn)術導彈對環(huán)境適應性的要求。

1.4 對低成本的要求

高成本一直是制約精確制導導彈大量裝備與使用的一個主要因素，MEMS陀螺儀成本低、易于批量化生產的特點成為降低武器裝備成本的首選。

MEMS陀螺儀占領著5（°）/h～10（°）/h的陀螺市場，如圖3所示，這些MEMS陀螺儀中部分價格低至100美元。與之競爭的光纖陀螺或機械陀螺，零偏穩(wěn)定性在1（°）/h～5（°）/h的，市場價格為單軸2000美元～4000美元［6］。

2 MEMS陀螺儀工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 MEMS陀螺儀工作原理

圖3 高性能陀螺儀市場統(tǒng)計Fig.3 Statistics for high-performance gyroscope market

MEMS振動陀螺儀是利用改變振動物體振動平面的方向來產生陀螺力矩，其主體是一個作高頻微幅振動的元件，利用高速振動的質量在被基座帶動旋轉時所產生的Coriolis效應來敏感角運動［7］。

如圖4所示，質量塊在X方向以速度V高頻振動，與Z方向的角速率Ω相互作用，產生Y方向的哥氏加速度。振動質量在Y方向受到哥氏力作用產生強迫振動，Y方向的振動幅值就代表了哥氏力的大小，再按相應的比例關系即可解算出輸入角速率的大小。

圖4 振動式陀螺儀原理示意圖Fig.4 Working principle of MEMS gyroscope

2.2 MEMS陀螺儀發(fā)展現(xiàn)狀

隨著對MEMS陀螺儀工作機理、內部結構、封裝技術、溫度補償技術、微機械加工工藝技術等的深入研究，MEMS陀螺儀的精度得到快速提高。目前，國外公開報道精度最高的MEMS陀螺儀產品是挪威Sensonor公司的蝶形陀螺SAR500［8］，采用了音叉式的工作結構，驅動和檢測模態(tài)均為反相的扭轉振動，如圖5所示。SAR500的主要精度指標：測量范圍為±500（°）/s，標度因數(shù)誤差為±3×10-4，零位穩(wěn)定性為0．04（°）/h，零偏重復性為0．1（°）/h。

圖5 SAR500陀螺儀Fig.5 SAR500 gyro

國內MEMS陀螺儀的研制始于20世紀90年代，主要研制單位有清華大學、東南大學、南京理工大學等高校，中科院上海微系統(tǒng)所、微電子所、半導體所等研究機構，電科13所、電科26所、航空618所、航天33所、航天13所等工程單位。目前，國內自主研發(fā)的MEMS陀螺儀零偏穩(wěn)定性已優(yōu)于10（°）/h，可以達到戰(zhàn)術級精度水平，并已在戰(zhàn)術武器中應用。

國內MEMS陀螺儀的研制工作還需要解決的主要問題包括：圓片級真空封裝技術，檢測力平衡技術，正交誤差補償技術，幅度、頻率高精度控制技術等［9］。

2.3 MEMS陀螺儀發(fā)展趨勢

在未來10年，MEMS陀螺儀的精度水平（零偏穩(wěn)定性）仍有大于1個數(shù)量級的提升空間，如圖6所示［10］，這主要取決于微機械加工的精度、集成化的水平、敏感結構的真空封裝等關鍵問題的解決。

圖6 未來陀螺儀技術的應用Fig.6 Applications of far-term gyro technology

3 MEMS陀螺儀關鍵技術

隨著MEMS陀螺儀在戰(zhàn)術武器中的應用，研制過程中暴露出許多問題。為了提高戰(zhàn)術導彈的研制質量，向部隊提供性能先進、質量優(yōu)良的武器裝備，MEMS陀螺儀還需要解決以下幾個關鍵技術問題。

3.1 長期穩(wěn)定工作的基礎——微機械加工工藝

MEMS陀螺儀對微機械加工工藝具有高度的敏感性，加工工藝偏差、加工應力以及可靠性等對MEMS陀螺儀的成品率至關重要。整個微機械加工工藝流程是實現(xiàn)MEMS陀螺儀長期穩(wěn)定工作的基礎，必須加強微機械加工工藝過程的控制。

（1）加工精度控制

MEMS陀螺儀微敏感結構的加工精度主要體現(xiàn)在梳齒、彈性梁等關鍵結構的加工誤差控制，這直接影響了MEMS陀螺儀敏感結構的對稱性、諧振頻率、相位以及振動穩(wěn)定性等結構特性。

如圖7所示，重點關注微結構高深寬比條件下，側壁垂直度90°±0．5°，微結構關鍵尺寸的工藝誤差±0．5μm，精確控制微結構厚度誤差±2μm，在加工過程中采取有效措施進行加工精度控制。

圖7 微機械結構加工精度監(jiān)測Fig.7 Dimension test of MEMS structure

（2）工藝參數(shù)在線控制

根據(jù)產品過程質量控制的要求，需要對整個微機械加工工藝流程進行在線控制，如圖8所示。在MEMS陀螺儀微機械加工工藝復雜流程中，應識別出產品的關鍵工藝參數(shù)，建立一整套在線測試與質量評估方法，提高微機械加工工藝一致性和成品率，如光刻對準精度的在線監(jiān)測、鍵合強度的在線監(jiān)測、采用掃頻技術測量敏感結構振動幅度與頻率的關系以及裝配過程的應力測試等。

圖8 工藝參數(shù)在線控制Fig.8 On-line control of process parameters

（3）環(huán)境適應性篩選

環(huán)境適應性篩選是為了早期剔除有故障的器件，MEMS陀螺儀敏感結構失效模式包括殘余應力、結構斷裂和疲勞等。

殘余應力的存在會降低微結構的使用壽命，尤其在頻繁振動和沖擊的情況下會對微結構造成致命的傷害。結構斷裂主要發(fā)生在梳齒或微懸臂梁處，會使器件輸出非線性，同時產生的微粒還可能在器件內部形成短路。疲勞是指在低于材料彎曲或破裂強度的周期應力作用下導致器件失效，通常發(fā)生在硅微結構應力集中的部位。機械疲勞應力經(jīng)過不斷累積，導致可動部件的斷裂，器件的壽命縮短，最終引發(fā)失效。

國內大部分MEMS試驗室依據(jù)微電子可靠性試驗標準，如《GJB 548B-2005微電子器件試驗方法和程序》，進行環(huán)境適應性篩選試驗。對于這類標準在MEMS器件中的適用性還有質疑，需要進一步開展相關研究工作［11］。

3.2 武器型號應用的瓶頸——全溫性能指標

MEMS陀螺儀敏感結構是采用硅基材料加工而成的，硅基材料的溫度特性直接影響著硅諧振器的諧振特性，進而影響其諧振頻率、幅值以及相位，最終影響MEMS陀螺儀的全溫零偏和標度因數(shù)的性能指標。

國內MEMS陀螺儀的零偏穩(wěn)定性指標優(yōu)于10（°）/h，但是全溫（-40℃～+70℃）條件下零偏變化卻增加到100（°）/h以上，此項指標直接影響到MEMS陀螺儀在戰(zhàn)術導彈中的應用。

目前，提高MEMS陀螺儀溫度性能指標采取的主要措施是建立性能指標的溫度模型，并進行溫度補償，模型方程為：

式（1）中，Bi為零偏，Ki為標度因數(shù)，分別為溫度Ti的2次多項式，根據(jù)補償精度要求多項式的階次可以更高，也可以采取分段補償?shù)姆绞竭M行，溫度補償原理如圖9所示。

圖9 溫度補償原理Fig.9 Principle of temperature compensation

按圖9的溫度補償原理對MEMS陀螺儀輸出進行補償，補償后某溫度點下MEMS陀螺儀輸出值如式（2）所示：

圖10所示為某型號MEMS陀螺儀產品溫度補償前后的試驗結果，溫度補償前零偏全溫變化達1450（°）/h，通過溫度補償可以達到優(yōu)于100（°）/h的結果。

圖10 溫度補償前后對比圖Fig.10 Comparison before and after temperature compensation

MEMS陀螺儀溫度性能指標還有待進一步提高，需要開展溫度對微機械結構工作參數(shù)的影響機理研究，從源頭上將溫度影響因素引入整個微機械系統(tǒng)的研究設計中［12］。

3.3 質量與可靠性風險——復合力學環(huán)境

戰(zhàn)術導彈在發(fā)射時的瞬時沖擊、主動段飛行時發(fā)動機推力脈動產生的振動、自動駕駛儀舵機系統(tǒng)中的舵偏轉運動產生的定頻振動、超聲速飛行過程中的噪聲（又叫“音振”）、旋轉體制戰(zhàn)術武器的高速旋轉產生的離心力等等，這些力綜合作用形成飛行過程中復雜的復合力學環(huán)境。

MEMS陀螺儀作為戰(zhàn)術導彈制導控制系統(tǒng)中的關鍵測量部件，其測量誤差是制導系統(tǒng)主要的誤差源。導彈飛行過程與地面測試存在著天地環(huán)境差，使得由地面單一環(huán)境測試得出的誤差模型與實際飛行有很大的差別［13］，使得MEMS陀螺儀在導彈飛行過程中復合力學條件下工作可靠性問題沒有得到完全解決，使MEMS陀螺儀在戰(zhàn)術導彈應用中存在較大的風險。

以靜電梳狀驅動的線振動式MEMS陀螺儀為例，其數(shù)學模型如式（3）所示：

由式（3）得出MEMS陀螺儀驅動模態(tài)的運動方程：

當外部力學環(huán)境作用到驅動軸時，驅動模態(tài)的運動方程可表示為：

當MEMS陀螺儀正常工作時，驅動軸的運動工作結構諧振點ωd＝ω0x，通常在15kHz以上，而外部力學環(huán)境的振動頻率設為ωx1，因此驅動模態(tài)的運動位移可表示為：

由式（3）得出MEMS陀螺儀檢測模態(tài)的運動方程為：

當外部力學環(huán)境作用到檢測軸時，檢測模態(tài)的運動方程可表示為：

由此得出檢測模態(tài)的運動位移：

從式（6）和式（9）可以看出，外界力學環(huán)境將導致MEMS陀螺儀驅動和檢測模態(tài)的運動位移發(fā)生變化，最終使MEMS陀螺儀的輸出發(fā)生偏移，嚴重時失效。

在MEMS陀螺儀的應用過程中應充分考慮彈上復合力學環(huán)境對其影響，同時應急需開展復合力學環(huán)境下MEMS陀螺儀的失效機理、試驗驗證及評估技術研究。

4 結論

MEMS陀螺儀的快速發(fā)展及在戰(zhàn)術導彈上的應用是一個系統(tǒng)工程問題，突破MEMS陀螺儀在戰(zhàn)術導彈應用過程中的一系列關鍵技術，解決武器裝備研制過程中亟待解決的問題，滿足型號任務需求，形成軍用核心產品，將產生巨大的社會和經(jīng)濟效益。

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Research on Progress and the Key Technology of MEMS Gyroscope in Tactical Missile

LI Wei-zhong1，SUN Peng2
（1．Navy Representative Office of Aerospace Systems in Shanghai，Shanghai 201108；2．Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

MEMS gyroscope have outstanding advantages，such as small volume，light weight，quick start，high reliability，low price，easy mass production，and able to withstand harsh environmental，et al．It is the inevitable choice of tactical missile，for example air defense missile，antitank missile，portable air defense missile，and aerial guided bomb．This paper introduced the basic principle and development status of MEMS gyroscope，analyzed the application requirements of MEMS gyroscope in tactical missile，pointed out the key technical problems，such as micromachining technology，full temperature performance index，complex mechanical environment．It has guiding significance to the application of MEMS gyroscope in tactical missile．

MEMS；gyroscope；tactical missile

V241．5+54

A

1674-5558（2017）07-01390

10．3969/j．issn．1674-5558．2017．03．017

李偉忠，男，碩士，研究方向為制導控制。

2017-04-13