高端MEMS固體波動陀螺的發(fā)展與應(yīng)用

權(quán)海洋，楊栓虎，陳效真，王 浩

（1.北京微電子技術(shù)研究所，北京100076；2.兵器工業(yè)集團(tuán)203研究所，西安710065；3.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

高端MEMS固體波動陀螺的發(fā)展與應(yīng)用

權(quán)海洋1，楊栓虎2，陳效真3，王 浩1

（1.北京微電子技術(shù)研究所，北京100076；2.兵器工業(yè)集團(tuán)203研究所，西安710065；3.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

總結(jié)了固體波動陀螺的發(fā)展歷程，分析了從固體波動陀螺到MEMS陀螺的演化過程。通過對MEMS諧振環(huán)陀螺的演化與研制歷程進(jìn)行分析，預(yù)測未來高端MEMS陀螺發(fā)展方向，推動我國高端MEMS環(huán)形固體波動陀螺的研究與應(yīng)用。

MEMS諧振環(huán)陀螺；固體波動陀螺；諧振盤DRG陀螺

0 引言

1890年，物理學(xué)家Bryan發(fā)現(xiàn)撓性半球可測量轉(zhuǎn)動的Bryan理論。1988年，美國加州大學(xué)伯克利分校Muller研究小組發(fā)明了轉(zhuǎn)子直徑為60μm～100μm的硅靜電電機(jī)。至此，MEMS陀螺就以體積小、質(zhì)量小、功耗低、適于批量化生產(chǎn)，而受到各發(fā)達(dá)國家的重視。旋轉(zhuǎn)振動結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)、振動盤結(jié)構(gòu)、線振動結(jié)構(gòu)、正交線振動結(jié)構(gòu)（振動平板結(jié)構(gòu)、振動梁結(jié)構(gòu)、振動音叉結(jié)構(gòu)和加速度計(jì)振動結(jié)構(gòu)）和非正交線振動結(jié)構(gòu)（薄壁半球共振、共振圓柱結(jié)構(gòu)和共振環(huán)結(jié)構(gòu)）MEMS陀螺相繼出現(xiàn)。據(jù)國外研究者分析，按MEMS陀螺不同的工作原理、技術(shù)方案、加工工藝的可能組合選擇方案有2000種以上。同時(shí)，隨著系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步和工藝水平的提高，也給MEMS慣性技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，MEMS慣性儀表的性能在很短的幾十年內(nèi)得到了迅速的提高，并不同程度得到廣泛應(yīng)用。其中，消費(fèi)用MEMS陀螺大多采用傳統(tǒng)的音叉結(jié)構(gòu)，無法滿足高精度、特殊環(huán)境下的應(yīng)用需求。

國外，軍用高端MEMS陀螺技術(shù)路線和商用MEMS陀螺技術(shù)路線完全不同，軍用高端MEMS陀螺技術(shù)路線基本都是采用環(huán)境適應(yīng)性好的全對稱結(jié)構(gòu)。美國DARPA micro-PNT項(xiàng)目重點(diǎn)支持多環(huán)諧振盤DRG陀螺和微半球陀螺VRG的研制，取得很好結(jié)果。2015年，DARPA新啟動的高級慣性微傳感器（AIMS）項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)只支持結(jié)構(gòu)上全對稱的二維或三維的CVG-II型陀螺研制。英國BAE公司在20世紀(jì)90年代開始諧振環(huán)陀螺研制，產(chǎn)品已批量用于APKWS制導(dǎo)炸彈、NLAW反裝甲武器以及155mm雷神制導(dǎo)炮彈和衛(wèi)星等。相對于目前調(diào)諧音叉式、平板振動式、殼體振動式等MEMS陀螺技術(shù)，它具有高精度、高動態(tài)范圍、抗過載能力強(qiáng)，能直接測量轉(zhuǎn)動角度，避免了后續(xù)積分電路或算法帶來的動態(tài)誤差以及角度和角速率模式之間的切換，便于批量生產(chǎn)等獨(dú)特優(yōu)勢，成為未來多種中高精度武器載體平臺，尤其是高動態(tài)旋轉(zhuǎn)制導(dǎo)炮彈及火箭彈用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的有效技術(shù)。

先進(jìn)國家始終未停止對高性能環(huán)形全對稱結(jié)構(gòu)MEMS慣性器件的研制步伐，已在實(shí)戰(zhàn)中經(jīng)過檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了以全對稱環(huán)形固體波動陀螺的 “中高精度、低成本、高可靠、大批量、中端軍用”的應(yīng)用設(shè)想。而且，新一代高精度硅微半球和全對稱環(huán)形固體波動陀螺及其多陀螺陣列集成技術(shù)正在興起。

近20多年來，國內(nèi)經(jīng)過摸底了解、試驗(yàn)認(rèn)知、仿制自制、研究試用等大量研究探索，無論是理論（微運(yùn)動學(xué)、微動力學(xué)、微靜電學(xué)等研究）、材料（硅、石英、記憶合金、壓電和薄膜材料制備與特性等研究），還是工藝（面硅、體硅、LIGA工藝、微機(jī)械制造、放電加工、化學(xué)三維成型等），基本完成了硅微慣性儀表基礎(chǔ)研究過程，解決了硅微慣性器件從 “能動”到 “能用”的過渡。但是，國內(nèi)MEMS陀螺研制大多以商用音叉結(jié)構(gòu)為主，一直無法滿足裝備需求。全對稱結(jié)構(gòu)的半球、鐘形、杯形固體波動陀螺技術(shù)同樣起步于20世紀(jì)80年代，已卓有成效；高端MEMS環(huán)形固體波動陀螺的研究更晚于21世紀(jì)初。目前，全集成MEMS環(huán)形固體波動陀螺的工程產(chǎn)品研究及應(yīng)用摸底（8000G）已顯現(xiàn)出國產(chǎn)化優(yōu)勢?？梢?，開展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全對稱環(huán)形結(jié)構(gòu)MEMS陀螺研制同樣是解決我國高端武器裝備應(yīng)用的有效途徑。

1 固體波動陀螺到MEMS陀螺的發(fā)展歷程

1.1 固體波動理論與哥氏力陀螺

固體波動陀螺經(jīng)歷了金屬半球諧振陀螺、石英半球諧振陀螺的研制與升級，又演化為基于MEMS工藝的三維、二維諧振陀螺。最終，確立了高端MEMS諧振陀螺的發(fā)展方向與技術(shù)路線。

固體波動陀螺的基本原理是：旋轉(zhuǎn)軸對稱物體（諧振子）中被激勵的駐波轉(zhuǎn)動角與輸入角速率在其對稱軸上的投影成一定比例。該原理利用了旋轉(zhuǎn)軸對稱物體中彈性波慣性效應(yīng)，即駐波進(jìn)動特性。

如圖1所示，質(zhì)量塊P固連在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的xoy平面，若沿x軸方向以相對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的速度v運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系繞z軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)。在質(zhì)量塊P上哥氏效應(yīng)產(chǎn)生的哥氏力為：Fcor＝2m（v×ω）。其中，m為質(zhì)量塊P的質(zhì)量。

圖1 振動式陀螺工作原理Fig.1 Operational principle of vibrating gyroscope

可見，哥氏力Fcor與質(zhì)量塊P上的輸入角速度ω成正比，并引起質(zhì)量塊在y軸方向產(chǎn)生的位移（輸入角速度的信息）。振動陀螺的振動部件受驅(qū)動而在第一振動模態(tài)（又稱驅(qū)動模態(tài)，如圖1質(zhì)量塊P沿x軸運(yùn)動），當(dāng)與第一振動模態(tài)垂直的方向有旋轉(zhuǎn)角速度輸入時(shí)（如圖1沿z軸的旋轉(zhuǎn)角速度），振動部件因哥氏效應(yīng)產(chǎn)生了一個(gè)垂直第一振動模態(tài)的第二振動模態(tài)（又稱敏感模態(tài)，如圖1質(zhì)量塊P沿y軸產(chǎn)生的位移），該模態(tài)直接與旋轉(zhuǎn)角速度成正比。各類不同結(jié)構(gòu)形式的振動陀螺實(shí)際上都運(yùn)用了同樣原理。

諧振環(huán)式陀螺由振環(huán)、支撐梁及驅(qū)動、檢測控制電極組成，基于對稱性的考慮需要至少8個(gè)彈簧梁使結(jié)構(gòu)平衡，并有2個(gè)相同自然頻率的彎曲模態(tài)，如圖2所示。在靜電力（或電磁力）驅(qū)動下，諧振環(huán)在一個(gè)平面內(nèi)以固定幅值、橢圓形進(jìn)行1階彎曲模態(tài)振動。當(dāng)它圍繞法線軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，哥氏力將使振動能量轉(zhuǎn)移到相位差45°的2階檢測振動模態(tài)，2階檢測振動模態(tài)的振動幅值與輸入角速率成比例，并可以用電容的變化來檢測。

圖2 諧振環(huán)結(jié)構(gòu)陀螺Fig.2 Ring vibrating gyroscope

1.2 從半球諧振陀螺到MEMS平面陀螺的演化

半球諧振陀螺是固體波動陀螺的具體實(shí)現(xiàn)形式。1965年，David完成全對稱半球諧振陀螺（HRG）的理論建模分析。1975年，美國Delco公司研制出世界上第一個(gè)半球諧振陀螺，精度達(dá)到50（°）/h；后來采用高Q值石英材料，1980年精度達(dá)到 1（°）/h。 1996年，Litton收購 Delco公司為美國哈勃望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃研制高性能石英半球諧振陀螺，具體指標(biāo)如下：量程為0.5（°）/s，零偏穩(wěn)定性為0.00008（°）/h，角度隨機(jī)游走為

2000年、2009年、2011年，Kristiansen和Shatalov以及任順清等分別建立了圓柱形諧振陀螺和半球諧振陀螺的等效方程，從而利用簿殼力學(xué)中的能量原理給出了兩種結(jié)構(gòu)振動陀螺的動力學(xué)方程，為圓柱形諧振陀螺和半球諧振陀螺的研究發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。

2000年，Litton被Northrop Grumman收購，該公司研制500多個(gè)HRG陀螺分別用于美國金星探測和彗星撞擊等重大宇航任務(wù)。研究表明，半球諧振陀螺在性能上幾乎沒有物理限制，發(fā)展?jié)摿艽?。但半球諧振陀螺是三維結(jié)構(gòu)，加工工藝復(fù)雜，制造難度大，無法實(shí)現(xiàn)低成本批量化生產(chǎn)。在發(fā)展過程中有多種結(jié)構(gòu)變化，衍生出多種二維結(jié)構(gòu)，如圖3所示。這些二維結(jié)構(gòu)非常適合目前的MEMS制造工藝，可實(shí)現(xiàn)低成本批量化生產(chǎn)。

圖3 半球諧振陀螺的發(fā)展與衍變Fig.3 Developing and evolution progress of HRG

圖 3（a）的諧振環(huán)陀螺（Vibrating Ring Gyroscope，VRG）是半球陀螺的一種簡化形式。英國Goodrich公司BAE公司（Atlantic Inertia System AIS分公司）從早期的金屬筒型結(jié)構(gòu)VSG-1起，始終致力于環(huán)形陀螺的研究，自20世紀(jì)90年代開始諧振環(huán)陀螺的研制，逐漸演進(jìn)至新的壓電材料環(huán)形陀螺VSG-5。其歷代貨架產(chǎn)品CRS03、CRG20、CRM100/200等系列產(chǎn)品占據(jù)世界中高端MEMS陀螺市場很大份額，并應(yīng)用于英、美、瑞典、土耳其等國的制導(dǎo)彈藥武器。目前已研制到第四代，最新產(chǎn)品陀螺零偏穩(wěn)定性已達(dá)到 0.1（°）/h。

美國多所大學(xué)也開展了新型全對稱結(jié)構(gòu)陀螺的研究。2000年，Michigan大學(xué)Ayazi博士完成世界上第一款MEMS全對稱環(huán)形陀螺，陀螺零偏穩(wěn)定性達(dá)到 5（°）/h。 2008年，Zaman博士進(jìn)行諧振星型結(jié)構(gòu)改進(jìn)，陀螺零偏穩(wěn)定性已達(dá)到2.5（°）/h。圖3（c）為Berkeley等幾所學(xué)校聯(lián)合研制的DRG諧振陀螺，直徑為0.6mm、厚度為20μm，樣品精度達(dá)到 3.27（°）/h。 圖 3（f）是 Michigan 大學(xué)研發(fā)的多筒諧振（Multi-ring Cylinder）速率積分陀螺，諧振頻率為3kHz，Q值為 72000，零偏為 129（°）/h，角度隨機(jī)游走系數(shù)達(dá)到0.09（°）/h。

2 國內(nèi)外軍用MEMS諧振陀螺研制現(xiàn)狀

2.1 半球諧振陀螺（HRG）研制現(xiàn)狀

1996年，美國首次在空間應(yīng)用HRG姿態(tài)敏感單元，約125套累計(jì)飛行2×107h。俄羅斯、法國等國發(fā)展迅速，均取得了良好應(yīng)用效果。HRG被國際慣性界認(rèn)為是21世紀(jì)廣泛用于各類運(yùn)載器捷聯(lián)系統(tǒng)中最理想的器件，國外HRG對比如表1所示。

表1 國外HRG研制水平對比Table 1 Contrast of HRGs design level abroad

國內(nèi)半球固體波動陀螺（HRG）研制開始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過20多年的研究，已經(jīng)能夠生產(chǎn)出滿足我國衛(wèi)星工程應(yīng)用要求的半球固體波動陀螺產(chǎn)品，已完成空間2年飛行試驗(yàn)任務(wù)，表現(xiàn)良好，填補(bǔ)了我國長壽命半球固體波動陀螺的空白。目前，已形成可分別使用于不同空間、地面領(lǐng)域需求的高中低不同精度，分別采用數(shù)字/模擬控制方式的系列工程產(chǎn)品，國內(nèi)HRG發(fā)展水平如表2所示。

表2 國內(nèi)HRG研制水平Table 2 Domestic HRG design level

2.2 MEMS諧振陀螺研制現(xiàn)狀

MEMS 諧振環(huán)陀螺 （Vibrating Ring Gyroscope，VRG）源于石英半球諧振陀螺，是半球諧振陀螺的簡化結(jié)構(gòu)形式。與半球諧振陀螺相比，除了保持半球諧振陀螺敏感結(jié)構(gòu)全對稱、高精度、環(huán)境適應(yīng)性好，適合應(yīng)用在性能要求高并且環(huán)境惡劣的航天及軍事等領(lǐng)域外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、體積小、便于批量化集成制造等特點(diǎn)。目前，諧振環(huán)陀螺已經(jīng)發(fā)展到第四代產(chǎn)品（如圖4所示），逐漸從機(jī)械陀螺轉(zhuǎn)變?yōu)镸EMS硅基陀螺。

圖4 硅微機(jī)械陀螺儀發(fā)展歷程Fig.4 Evolution progress of Silicon micromechanical gyroscope

（1）第一代諧振環(huán)陀螺

第一代諧振環(huán)陀螺產(chǎn)品采用圓柱殼體的陶瓷結(jié)構(gòu)，類似于傳統(tǒng)陀螺，研制平臺主要為機(jī)械加工平臺。其特點(diǎn)是敏感結(jié)構(gòu)采用機(jī)械加工手段制備，體積大，敏感信號強(qiáng)，采用傳統(tǒng)組織工藝技術(shù)。

（2）第二代諧振環(huán)陀螺

第二代諧振環(huán)陀螺產(chǎn)品通過驅(qū)動和檢測技術(shù)的進(jìn)步簡化了結(jié)構(gòu)，但和第一代產(chǎn)品類似，研制平臺主要為機(jī)械加工平臺。

（3）第三代諧振環(huán)陀螺

第三代諧振環(huán)陀螺產(chǎn)品采用了新的MEMS加工技術(shù)，通過電磁激勵和電流檢測，使陀螺的體積變小，性能得到大幅度提升。其特點(diǎn)是：1）敏感結(jié)構(gòu)采用MEMS技術(shù)加工，并且使用激光修調(diào)技術(shù)對兩個(gè)諧振模態(tài)間的頻差進(jìn)行調(diào)節(jié)（頻差＜1Hz），通過兩模態(tài)間的匹配增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)換能力，提高器件性能；2）采用微電子封裝技術(shù)（金屬管殼）和傳統(tǒng)組裝技術(shù)（磁芯裝配）的結(jié)合進(jìn)行產(chǎn)品封裝。其研制平臺是機(jī)械加工平臺、微電子平臺和MEMS平臺的結(jié)合。

（4）第四代諧振環(huán)陀螺

第四代諧振環(huán)陀螺產(chǎn)品采用了全新的MEMS加工技術(shù)，去除了陀螺內(nèi)部的磁芯結(jié)構(gòu)，通過電容激勵、電容檢測、修調(diào)等技術(shù)，使陀螺的性能、體積、功耗等得到大幅度提升。其器件特點(diǎn)是：

1）敏感結(jié)構(gòu)采用MEMS技術(shù)加工；

2）使用修調(diào)技術(shù)對兩個(gè)諧振模態(tài)間的頻差進(jìn)行調(diào)節(jié)（頻差＜0.1Hz），通過兩模態(tài)間的匹配增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)換能力，提高器件性能；

3）采用專用處理電路和微處理器結(jié)合進(jìn)行信號檢測和處理；

4）采用MCM封裝形式進(jìn)行陀螺儀封裝。

第四代諧振環(huán)陀螺研制平臺是微電子平臺和MEMS平臺的結(jié)合，產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)也是目前世界上主流 MEMS陀螺產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，主要特點(diǎn)包括：

1）敏感結(jié)構(gòu)采用高真空封裝，Q值很高；

2）對敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高敏感結(jié)構(gòu)的固有特性和成品率；

3）采用專用處理電路，提升信號處理和敏感結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)能力；

4）采用微處理器，提升產(chǎn)品的內(nèi)部補(bǔ)償和環(huán)境適應(yīng)性；

5）采用MCM一體化封裝技術(shù)，減小體積，提高穩(wěn)定性；

6）采用系統(tǒng)級設(shè)計(jì)，進(jìn)行敏感結(jié)構(gòu)、處理電路、微處理器以及封裝等陀螺儀各部分之間的匹配，充分發(fā)揮系統(tǒng)各部分的技術(shù)優(yōu)勢，彌補(bǔ)相互間的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最大化。

具有上述特點(diǎn)的硅基MEMS陀螺儀已經(jīng)逐步由新興走向成熟，進(jìn)而走向系統(tǒng)集成化道路，實(shí)現(xiàn)MEMS IMU等系統(tǒng)的應(yīng)用。

英國BAE公司采用MEMS諧振環(huán)陀螺實(shí)現(xiàn)了MEMS IMU系列化，最小體積僅有1in3（1in＝25.4mm），是目前世界上最小的IMU單元，可以把此IMU植入到士兵的戰(zhàn)靴中，實(shí)現(xiàn)單兵全時(shí)導(dǎo)航。BAE公司MEMS IMU系列化如圖5所示。此類型陀螺具有超高抗高沖擊能力，并且采用數(shù)字閉環(huán)電路控制，通過改變標(biāo)度因數(shù)控制環(huán)路的參數(shù)，其量程在 600（°）/s～12000（°）/s 的范圍內(nèi)可調(diào)整，零偏穩(wěn)定性＜0.1（°）/h。BAE 生產(chǎn)的諧振環(huán)陀螺有角速率和速率積分兩種模式，研制的產(chǎn)品用于高速旋轉(zhuǎn)彈、中程導(dǎo)彈和美國155mm制導(dǎo)神箭炮彈（Excalibur）等武器系統(tǒng)。ESA研究的空間用MEMS諧振環(huán)陀螺已在2012年Cryosat2衛(wèi)星完成在軌驗(yàn)證，并將用于2018年發(fā)射的火星車（ExoMars rover）。

圖5 BAE公司系列化MEMS IMUFig.5 Serial MEMS IMU of BAE corporation

日本 SSS（Silicon Sensing Systems）一直從事MEMS諧振環(huán)陀螺研制，最新產(chǎn)品零偏穩(wěn)定性＜0.06（°）/h，角度隨機(jī)游走，是諧振環(huán)陀螺的最高水平。

2.3 MEMS碟形陀螺（DRG）研制現(xiàn)狀

MEMS碟形陀螺是目前MEMS陀螺中報(bào)導(dǎo)精度最高的陀螺器件，也是目前最熱門的平面工藝MEMS陀螺結(jié)構(gòu)之一。

早在1994年波音公司研制的半球諧振陀螺（HRG）就應(yīng)用于波音公司的TDRS HIJ衛(wèi)星上，并于2000年用于第二代 TDRS衛(wèi)星，同時(shí)開展MEMS陀螺研制，研制路線如圖6所示。

圖6 波音公司高性能MEMS陀螺研制路線圖Fig.6 Advanced MEMS gyroscope's investigation route chart of Boeing corporation

基于半球諧振陀螺和其他MEMS陀螺的研制基礎(chǔ)，JPL和波音公司把半球諧振陀螺和音叉式MEMS陀螺結(jié)合，提出了多環(huán)結(jié)構(gòu)的MEMS碟形陀螺方案，即多環(huán)諧振盤陀螺（Disc Resonator Gyroscope）。DRG陀螺包括一系列的同心圓盤，各同心環(huán)通過微梁與中心圓盤相連接，如圖7所示。這種多同心環(huán)結(jié)構(gòu)減少了半徑剛度，它的多同心環(huán)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的全對稱性，全對稱結(jié)構(gòu)的敏感結(jié)構(gòu)可以減少驅(qū)動和檢測模態(tài)的正交耦合，從而實(shí)現(xiàn)硅微陀螺驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)間的匹配。多環(huán)的設(shè)計(jì)不僅大大增加了電極區(qū)域，提高了檢測和驅(qū)動的電容，從而提高了陀螺的檢測靈敏度，也增大了有效質(zhì)量。增加有效質(zhì)量對降低噪聲水平非常關(guān)鍵，采用多環(huán)和多檢測電極解決了環(huán)陀螺信噪比低的難點(diǎn)。在美國DARPA NGIMG項(xiàng)目支持下，研究取得了突破性進(jìn)展，基于Si材料8mm直徑的 DRG 實(shí)現(xiàn)了零偏穩(wěn)定性＜0.01（°）/h，角度隨機(jī)游走。為進(jìn)一步縮小和HRG陀螺的性能差距，基于石英玻璃（Fused Silica）材料8mm直徑或更大直徑的DRG正在研制中。預(yù)期目標(biāo)是DRG的Q值提高一到兩個(gè)數(shù)量級，ARW提升一個(gè)數(shù)量級。

圖7 MEMS碟形陀螺Fig.7 MEMS disc resonator gyroscope

2013年，MEMS DRG陀螺研制團(tuán)隊(duì)從波音公司和JPL剝離，成立 SIM（Sensor in Motion）公司，專業(yè)從事DRG陀螺的研發(fā)與生產(chǎn)。依靠30多年積累的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)高性能低成本導(dǎo)航級DRG陀螺，產(chǎn)品代表MEMS陀螺最高水平，達(dá)到激光和光纖陀螺性能?；贒RG陀螺的指北儀體積為11in3，質(zhì)量為0.24lb。

在軍用、航天航空等領(lǐng)域，MEMS陀螺中的諧振環(huán)陀螺和多環(huán)碟形DRG陀螺產(chǎn)品化水平最高，并在武器裝備中得到廣泛應(yīng)用。

2.4 某單位MEMS諧振陀螺研制情況

某研制單位發(fā)揮其在大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、小型化一體集成、電路封裝測試、4英寸（1英寸＝25.4mm）MEMS工藝線的優(yōu)勢，于2008年開始硅基MEMS諧振環(huán)陀螺（Vibrating Ring Gyroscope）的研制，是國內(nèi)首家突破了MEMS諧振環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工、處理電路的單片集成（ASIC）、小型化SIP封裝和陀螺參數(shù)修調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)的單位。2012年研制成功數(shù)字化諧振環(huán)MEMS陀螺，零偏穩(wěn)定性≤10（°）/h，體積和質(zhì)量極具優(yōu)勢，產(chǎn)品具有良好的抗高過載和環(huán)境適應(yīng)性能力，已在炮彈、火箭彈、微小衛(wèi)星得到工程應(yīng)用，如圖8所示。

圖8 MEMS環(huán)形陀螺Fig.8 MEMS vibrating ring gyroscope

MEMS環(huán)狀陀螺主要性能包括：

1）體積為 11.6mm×16.7mm×4.5mm，質(zhì)量＜2.7g，體積和質(zhì)量與國內(nèi)外多片集成MEMS陀螺儀相當(dāng)，明顯優(yōu)于國內(nèi)板級集成陀螺。

（1）建模與網(wǎng)格劃分 由于3D模型尺寸非常大，為使模擬盡可能接近真實(shí)情況以及有效利用計(jì)算機(jī)資源，筆者將模型網(wǎng)格細(xì)劃，并且在機(jī)架立柱底部的外冷鐵位置（人為末端區(qū)）和機(jī)架對稱面將模型做成了1/4對稱處理。為避免鋼液在澆注系統(tǒng)內(nèi)冷卻過快，將澆注系統(tǒng)單獨(dú)建模，并且前處理時(shí)將其與型砂的界面換熱系數(shù)設(shè)為較低值。首次澆注時(shí)讓鋼液從澆注系統(tǒng)注入，補(bǔ)澆時(shí)讓鋼液從冒口上方注入。

2）零偏穩(wěn)定性達(dá)到 10（°）/h，同國外高端MEMS陀螺1（°）/h相比，還存在一定差距，但在國內(nèi)屬于領(lǐng)先水平。

3）環(huán)境適應(yīng)性。通過陀螺內(nèi)部溫度補(bǔ)償及IMU模塊再次補(bǔ)償，全溫范圍（－40℃～85℃）零位溫度系數(shù)＜0.01（°） /s/℃， 標(biāo)度因子溫度系數(shù)＜1×10－4/℃。由于環(huán)陀螺全對稱結(jié)構(gòu)，理論上具備抗振動特性，完全能夠滿足惡劣環(huán)境應(yīng)用要求。20Hz～2000Hz掃頻，平直段功率0.06g2/Hz振動條件下，陀螺儀零位變化＜1%，與國外處于同一水平。

4）工程化批量生產(chǎn)。由于采用全數(shù)字化測試、調(diào)整、標(biāo)定技術(shù)，提高了成品率和測試效率，已具備小批量生產(chǎn)能力。

2015年1月，該單位自主研制的諧振環(huán)陀螺通過飛行測試，發(fā)射過載8000g，歷時(shí)10ms。經(jīng)全程記錄數(shù)據(jù)分析，陀螺飛行曲線正常，抗過載能力優(yōu)良，各測試指標(biāo)滿足型號應(yīng)用需求，標(biāo)志著我國MEMS陀螺在抗高過載方面取得突破性進(jìn)展。至此，該單位的環(huán)陀螺已通過原理樣機(jī)、初樣試制和型號應(yīng)用等各種靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)考核，具備小批量生產(chǎn)水平，實(shí)彈搭載的IMU及炮射搭載實(shí)測曲線如圖9和圖10所示。

圖9 裝載IMU（內(nèi)部三軸環(huán)陀螺）的實(shí)物Fig.9 Material object of IMU（three axes ring gyroscope）

圖10 實(shí)彈飛行記錄數(shù)據(jù)對比Fig.10 Mortar flight data of ring gyroscope and reference gyroscope

3 未來高端MEMS陀螺發(fā)展方向

3.1 美國高端MEMS陀螺研制計(jì)劃

美國DARPA關(guān)于MEMS陀螺的研制計(jì)劃具有重要參考價(jià)值。美國等西方發(fā)達(dá)國家非常重視MEMS慣性系統(tǒng)與器件的研制，DARPA針對MEMS慣性器件的研制制定了很多具體的計(jì)劃。美國DARPA MTO在器件級有兩項(xiàng)陀螺研究項(xiàng)目，一個(gè)為 NGIMG（Navigation Grade Integrated Micro Gyroscopes），一個(gè)是 MRIG（Micro Rate Integrating Gyroscope）項(xiàng)目。

NGIMG項(xiàng)目主要研發(fā)低功耗微型角速率傳感器，在沒有GPS信號時(shí)為單兵、車輛、無人機(jī)和大型作戰(zhàn)平臺提供支撐。研究目標(biāo)：零偏穩(wěn)定性為 0.01（°）/h，角度隨機(jī)游走為。波音公司多環(huán)諧振盤陀螺DRG（Disc Resonator Gyroscope）為重點(diǎn)研制方案，如圖3（c）所示。

2011年，DARPA啟動的MRIG（Micro Rate Integrating Gyroscope）項(xiàng)目專門研制微半球陀螺，如圖3（e）所示，目的是為高動態(tài)的空間武器提供支撐。研究目標(biāo)：量程為15000（°）/s，零偏穩(wěn)定性為0.01（°）/h，刻度因子重復(fù)性為 1×10－8。 該項(xiàng)目鼓勵結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，美國有8所大學(xué)參加研制，設(shè)計(jì)了多種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)和3D制作工藝方案。

2015年，針對高級慣性器件DARPA新啟動PRIGM（Precise Robust Inertial Guidance for Munitions）項(xiàng)目，研制高級新型低CSWaP慣性微傳感器AIMS（Advanced Inertial Micro Sensors），滿足在高沖擊和高振動環(huán)境，具有高動態(tài)范圍、低噪音、高精度的慣性器件，詳細(xì)指標(biāo)如表3、表4所示。其中，TA1為高動態(tài)環(huán)境器件指標(biāo)，TA2為高精度和高穩(wěn)定性器件指標(biāo)。

表3 DARPA高級慣性微傳感器AIMS研制指標(biāo)（a）Table 3 DARPA AIMS program objectives（a）

表4 DARPA高級慣性微傳感器AIMS研制指標(biāo)（b）Table 4 DARPA AIMS program objectives（b）

如圖11～圖13所示，AIMS項(xiàng)目重點(diǎn)支持的3個(gè)陀螺研制方向?yàn)椋?）速率積分陀螺；2）光檢測MEMS陀螺；3）片上光波導(dǎo)陀螺。同時(shí)，DARPA強(qiáng)調(diào)只支持結(jié)構(gòu)上高度對稱的二維或三維的MEMS陀螺研制，不支持音叉型MEMS陀螺。

圖11 AIMS計(jì)劃發(fā)展的光學(xué)MEMS陀螺Fig.11 Optical MEMS gyroscope of AIMS program

圖12 AIMS計(jì)劃發(fā)展的速率積分陀螺Fig.12 Rate integrating gyroscope of AIMS program

圖13 AIMS計(jì)劃發(fā)展的片上光波導(dǎo)陀螺Fig.13 Photonic waveguide gyroscopes of AIMS program

3.2 未來高端MEMS陀螺關(guān)鍵技術(shù)

MEMS陀螺將不斷突破，引入許多關(guān)鍵技術(shù)，逐步提高精度，在未來的高端應(yīng)用領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

（1）靜電平衡調(diào)整技術(shù)

MEMS工藝誤差總是不可避免的，高精度MEMS陀螺對工藝誤差非常敏感。工藝誤差會使器件剛度與阻尼不對稱，驅(qū)動模態(tài)與敏感模態(tài)存在頻差，陀螺靈敏度降低，精度大打折扣。工藝誤差存在隨機(jī)性，因此要得到高精度MEMS陀螺往往是 “百里挑一”。對工藝誤差進(jìn)行校正、調(diào)整，使高精度MEMS陀螺做到由 “百里挑一”變?yōu)椤鞍賯€(gè)如一”，是目前保障高精度陀螺成品率的重要技術(shù)途徑。靜電平衡調(diào)整技術(shù)是高效率、低成本的工藝誤差調(diào)整技術(shù)手段。靜電平衡調(diào)整可通過靜電負(fù)剛度效應(yīng)，調(diào)整剛度對稱性，使驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)頻率趨于一致，以提高精度。靜電平衡調(diào)整技術(shù)涉及靜電平衡基礎(chǔ)理論、靜電平衡電極排布、調(diào)整電壓判據(jù)及測試、靜電電壓施加方法、靜電調(diào)節(jié)自動化等，是未來高端MEMS陀螺的重要關(guān)鍵技術(shù)。

（2）速率積分控制技術(shù)

速率積分陀螺也稱全角模式陀螺，速率積分陀螺相對于速率陀螺具有很多優(yōu)勢：速率積分陀螺動態(tài)范圍更大、沒有帶寬限制、噪聲誤差不隨時(shí)間累積等。因此，速率積分陀螺是未來高精度陀螺的重要發(fā)展方向之一。速率積分控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)速率積分陀螺的關(guān)鍵技術(shù)。

（3）原子級時(shí)鐘鎖頻技術(shù)

原子級鎖頻MEMS陀螺是基于原子級鎖頻技術(shù)以提高精度的MEMS陀螺，應(yīng)用于MEMS陀螺的原子級鎖頻技術(shù)，旨在使MEMS陀螺諧振頻率與一個(gè)極精準(zhǔn)的頻率基準(zhǔn)（原子鐘級別的精度）同步，利用原子鐘級別的頻率精確性，將MEMS陀螺諧振頻率鎖定在恒定值，不受環(huán)境影響而變化。原子級鎖頻技術(shù)可使MEMS諧振陀螺的角度隨機(jī)游走（ARW）與零偏穩(wěn)定性提高幾個(gè)數(shù)量級，從而使陀螺精度具有跨越式提升。原子級鎖頻技術(shù)是大幅提高M(jìn)EMS陀螺精度極具潛力的技術(shù)。

（4）系統(tǒng)自校準(zhǔn)技術(shù)

自校準(zhǔn)技術(shù)是指傳感器上電后對零位輸出進(jìn)行自動校準(zhǔn)、歸零的技術(shù)。通過自校準(zhǔn)技術(shù)，抵消陀螺零偏輸出，消除陀螺多次上電零偏不一致的問題，對提高零偏重復(fù)性，尤其是提高長時(shí)間角度檢測的精度有重要的作用。自校準(zhǔn)技術(shù)是保障MEMS慣性傳感器精度的又一技術(shù)瓶頸。

（5）光檢測技術(shù)

光學(xué)檢測方法具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。將光學(xué)檢測與MEMS傳感器相結(jié)合，使測量精度更高，測量更加智能化，具有廣闊的市場前景。

（6）高Q值技術(shù)

高Q值是提高陀螺靈敏度的重要途徑，是未來高精度MEMS陀螺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 總結(jié)與啟示

綜上所述，半球諧振陀螺是一種典型的固體波動陀螺，具有很高的精度，并已得到廣泛應(yīng)用。但半球諧振陀螺加工難度大，批生產(chǎn)能力差，因此逐步衍生出了適合平面加工工藝的MEMS諧振環(huán)陀螺（Vibrating Ring Gyroscope）和諧振盤陀螺（Disc Resonator Gyroscope）。具有全對稱特性的MEMS平面陀螺（VRG、DRG）具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，美國和歐洲多家軍工企業(yè)MEMS陀螺均采用全對稱特性的MEMS平面陀螺設(shè)計(jì)與加工技術(shù)，并在導(dǎo)彈、炮彈、衛(wèi)星及空間飛行器上得到廣泛應(yīng)用，是未來高端MEMS陀螺研制的方向。

國內(nèi)高端軍用MEMS陀螺儀環(huán)境適應(yīng)性一直是應(yīng)用瓶頸?；诤教旌蛙娛聭?yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω叨薓EMS陀螺的需求，建議重點(diǎn)開展基于現(xiàn)有成熟MEMS工藝的二維諧振環(huán)和多環(huán)諧振盤陀螺的研究。并與應(yīng)用緊密結(jié)合，加強(qiáng)MEMS陀螺的基礎(chǔ)理論與誤差機(jī)理研究，完善MEMS陀螺設(shè)計(jì)和加工平臺。通過MEMS敏感結(jié)構(gòu)、制造工藝與處理算法的集成創(chuàng)新，解決研制技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)高端MEMS陀螺國產(chǎn)化。

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Development and Application of Advanced MEMS Solid Wave Gyroscope

QUAN Hai-yang1，YANG Shuan-hu2，CHEN Xiao-zhen3，WANG Hao1
（1.Beijing Microelectronics Technology Institute，Beijing 100076；2.The 203thInstitute of China North Industries Group Corporation，Xi'an 710065；3.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

The developing progress of solid wave gyroscope was summarized，and evolution from solid wave gyroscope to MEMS gyroscope was analyzed.This paper aims at forecasting the developing direction of MEMS gyroscope，promoting the investigation and implication of our national advanced MEMS ring solid wave gyroscope according to analyze the evolution and researching progress of MEMS ring vibrating gyroscope.

MEMS vibrating ring gyroscope； solid wave gyroscope； disc resonator gyroscope

V241.5

A

1674-5558（2017）07-01262

10.3969 /j.issn.1674-5558.2017.06.014

2016-03-29

權(quán)海洋，男，研究員，研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)與MEMS微系統(tǒng)設(shè)計(jì)。