抗高過載微機械陀螺儀研究綜述

曹慧亮 張英杰 寇志偉 石云波 唐軍 劉俊

摘 要：慣性制導系統在制導炮彈中有著極其重要的作用，其中，微機械陀螺儀作為慣性制導系統的核心器件，其抗高過載能力直接制約著慣性制導系統在抗高過載環境中的應用。首先，對炮射膛內高過載環境進行了建模和量化，概括了微機械陀螺結構的高過載失效機理。其次，結合國內外相關機構公開發表的研究成果，從微機械陀螺儀的抗高過載特性的角度出發，介紹了不同測控方式、不同結構形式、不同結構材料、不同工作原理的微機械陀螺儀的抗沖擊能力。最后，對相關報道和論文進行了總結和歸納，提出應從驅動-檢測方式、合理的吸能釋能結構配置、工作原理、新型結構材料、多級系統緩沖等方面設計和改進高過載微機械陀螺結構，以提高陀螺的抗高過載能力。

關鍵詞：傳感器技術；高過載；微機械陀螺；梳齒電容；四波腹振動；硅材料

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A

文章編號：1008-1542（2018）04-0289-10

Abstract：Inertial guidance system plays a very important role in guided artillery. Micro electro mechanical system （MEMS） gyroscope， as the core component of inertial guidance system， has high resistance to overload and restricts the application of inertial guidance system in high overload environment directly. First of all， the high overload environment in the gun chamber is modeled and quantified， and the mechanism of high overload failure of the MEMS gyro structure is summarized. Secondly， based on the previous public research results from different institutes at home and abroad， the anti-high overload MEMS gyroscopes with different monitoring methods， different structural forms， different structural materials and different working principles are introduced from the perspective of anti-overload characteristics of MEMS gyroscopes impact resistance. Finally， the related reports and papers are summarized， and it is pointed out that the anti-high overload MEMS gyroscope should be designed from the aspects of drive-detection mode， reasonable structure of energy-absorbing and energy-dissipating structure， working principle， new structural material and multi-level system buffer methods to improve the anti-high overload ablility.

Keywords：sensor technology； high overload； MEMS gyroscope； comb capacitance； four antinodes vibration； silicon material

目前，常規武器（如火炮，坦克炮）和新型動能武器（如電磁軌道炮）彈藥發射后的角速度信息測量是一個公認的難題。究其原因主要是角速度傳感器件很難經受高過載環境的沖擊，高過載過程對傳感器的破壞作用主要有兩條途徑：一是慣性力的直接沖擊，二是高過載產生的應力波對結構的破壞。彈藥在發射過程中，炮彈要經歷巨大的過載作用以加速到預期的發射初速度，該過載過程的幅度峰值可達20 000g以上（g為重力加速度，下同），作用時間在數十毫秒以內。例如，155 mm榴彈炮在發射過程中產生的最大過載脈沖幅度為20 000g，持續時間5 ms[1]；電磁炮發射過程炮彈所受最大過載幅度為40 000g以上，炮口初速度可達到7馬赫[2-3]。通過在炮彈中增加慣性制導模塊的方法可為彈道修正提供基準，有效提高彈藥的命中精度[4]。因此，很多發達國家已經開展了常規彈藥的制導升級工作，并為新型動能武器彈藥研制相關的慣性制導模塊[2]，其中，美國高級研究計劃局（DARPA）更是把抗高過載陀螺儀作為關鍵器件之一列在了μPNT計劃中[5]。

河北科技大學學報2018年第4期曹慧亮，等：抗高過載微機械陀螺儀研究綜述隨著微機械加工工藝和測控技術的不斷成熟，微機械（MEMS）陀螺儀的精度不斷提高，同時憑借其體積小、質量輕、成本低、可批量生產、可靠性高等特點，各國都將其作為制導炮彈中角速率傳感器的首選[6-9]。但目前微機械陀螺在高過載環境中存在兩大問題：一是高過載過程不易存活，即陀螺在過載作用后失效；二是高過載后陀螺性能嚴重退化，即過載前后陀螺相關參數和性能（零偏值、標度因數值、穩定性等）很難保持一致。本文從高過載微機械陀螺儀角度出發，針對目前公開發表的抗過載微機械陀螺儀方面的研究報道，從結構失效機理、結構形式、測控方法、工作原理、結構材料等方面進行歸納和總結，進一步凝練出微機械陀螺儀抗高過載設計方面的方法，為其早日應用提供支持。

1 微機械陀螺儀抗高過載原理

1.1 高過載環境沖擊原理

多數火炮在發射過程中產生的膛內過載特性曲線如圖1所示（只顯示主要趨勢，忽略過載幅度波動的噪聲信號）[1]。該過程主要由3個峰值點（2個正方向，1個負方向）組成，其中，某型號火炮發射過程膛內最大峰值約為20 000g，作用時間小于20 ms。

由于要經歷如此高的過載過程，陀螺儀等慣性器件結構的形狀、材料和振動特性等特性必會發生較大的變化[11-12]，需要對高過載環境下微機械陀螺儀結構的失效情況進行分析。

1.2 高過載狀態條件下陀螺結構失效機理

在高過載條件下微機械陀螺失效機理分析方面，芬蘭阿爾托大學對敏感結構、結構封裝等方面進行了研究，結果顯示[13]，使結構完全失效（器件失去工作能力，表現為器件未存活）的原因來自多方面，如：結構-基底鍵合層破裂引起的失效、結構層結構斷裂引起的失效等，而陀螺儀結構的功能性失效（器件保持一定工作能力但各項參數均會變化，表現為器件性能退化）主要由于梳齒等檢測機構的掉落和結構的部分損壞。進一步的分析如下。

1.2.1 完全失效

陀螺結構完全損壞以至于完全失去工作能力，輸出信號與角速率無關，產生原因大致有以下3種[14]。

1）斷裂或破碎：過載產生的應力超過材料的屈服強度極限，且這種狀態不可逆，此外，結構在交變應力的作用下也會產生疲勞斷裂，這兩種現象均會出現在過載作用過程中，且往往出現在比較關鍵的位置，如梁與錨點連接部分等[15-17]。

2）吸合與黏附：在高過載過程中，陀螺結構擺動幅度很大，使梁“貼”在驅動電極上導致器件完全失效。黏附失效是指微機構在應用過程中彼此之間的表面吸附力大于機構的彈性恢復力時，兩個微機構將會黏合在一起[18]。

3）應力與分層：微結構在加工過程中大都采用了分層鍵合的方法，但各層間材料在高溫退火等加工過程產生的殘余應力不同、溫度系數不匹配，在過載施加時會導致層間脫落、斷裂等現象導致結構失效。

1.2.2 部分失效

結構未完全損壞，輸出信號雖然發生變化但仍能反映角（速）度信息，導致過載前后陀螺輸出信號差異，產生原因大致有以下幾種。

1）檢測機構受損：過載對結構的檢測機構產生損傷，例如，對于電容檢測的結構，過載導致檢測電容兩極板碰撞以致極板破損，則檢測信號變化。

2）部分支撐機構受損：過載施加時，壁與底連接部分局部發生斷裂，但梁依然與振動質量塊緊密連接，使得陀螺依然可以工作，只是改變了模態的固有頻率等參數，這種情況直接影響陀螺的機械靈敏度等參數。此外結構斷裂產生的碎屑和殘骸也會對結構的正常工作產生較大危害。

3）梁裂縫：在過載過程中，由于應力無法釋放而導致梁產生裂縫，影響結構質量或者產生應力變形。

通過分析上述失效機理，進一步對相關失效機理進行量化分析以建立陀螺結構仿真邊界條件（如對于斷裂，應力仿真時應設置結構參數使結構最大應力小于屈服強度等），可以更好地優化參數，提高陀螺結構的抗過載性能。

2 國內外抗高過載微機械陀螺結構研究現狀

在研制應用于高過載環境的微機械陀螺儀方面，國內外多個公司和科研院所均提出了相關方案。意法半導體和美國InvenSense公司都提供了抗過載10 000g的產品[19-20]，其中采用的結構形式并未見報道。在線振動硅微機械陀螺儀抗過載報道方面，美國Honeywell公司研制的陀螺結構如圖3所示，該結構目前可抗20 000g過載[21-22]，過載后陀螺儀的零偏穩定性參數從過載前的18°/h惡化到了過載后的180°/h（性能退化近10倍）；法國THALES公司研制的微機械陀螺儀如圖4所示，其陀螺在20 000g過載作用后存活，但多項參數均明顯惡化[23]，如零偏穩定性退化了587%，標度因數穩定性退化了218%。過載測試是針對陀螺整機，其外部結構也起到了一定的緩沖作用。

美國陸軍研究實驗室過載測試的陀螺在10 000g的過載作用后，標度因數由12.239 mV/（（°）·s）變化至12.177 mV/（（°）·s），零偏值由2.414 V變化至2.400 V[24]；土耳其中東科技大學研制的線振動硅微陀螺結構采用了一種新型的折疊梁結構，在有限元軟件中仿真顯示其可抗10 000g過載作用，如圖5所示[25]，但并未檢索到其高過載的實驗結果；美國加州大學伯克利分校提出了一種采用碳化硅材料的線性諧振結構[26]，通過空氣炮實驗設備對該結構進行了64 000g的沖擊過載實驗，諧振頻率在沖擊實驗前后并無太大變化，證明了碳化硅材料良好的抗高過載特性，結構如圖6所示；美國伍斯特理工學院對音叉式微機械陀螺結構（見圖7）進行了高過載測試[27]，結果顯示結構能夠承受10 000g的加速度沖擊，表面形態沒有明顯損傷，但并未對陀螺測試數據進行報道；美國加州大學爾灣分校提出了多質量塊的陀螺結構形式[28-29]，在較小沖擊幅值下能保持較好的參數一致性，其結構如圖8所示；意大利米蘭理工大學提出了一款壓阻檢測形式的硅基三軸微機械陀螺儀，在3 400g沖擊作用下，其標度因數變化了0.8%[30]。

上海微系統所在線振動結構的基礎上添加了質量塊的靜電力限位機構以提高結構的抗沖擊特性，通過對裸芯片進行的沖擊實驗表明，陀螺儀沿X軸的抗沖擊性為15 000g，Y軸為14 000g，Z軸為11 000g，陀螺結構如圖9所示[31]；東南大學對所研制的雙質量陀螺結構進行抗過載分析，其結構如圖10所示[32]，可有效抑制500g過載作用，但未報道在高過載環境下的測試。

北京信息科技大學和北京郵電大學提出了一種“三明治”結構形式的無驅動微機械陀螺儀以達到抗高過載特性[33-35]，北京信息科技大學設計的陀螺結構照片如圖11所示，該結構形式不需要使結構諧振，而是在角速度輸入時被動檢測電極的變化；上海交通大學提出了一種雙軸的抗高過載壓阻形式的陀螺結構（如圖12所示）[36]，在仿真過程中陀螺兩個軸的標度因數分別為4.53 mV/（（°）·s）和0.93 mV/（（°）·s），由于結構本身是一個整體且無較大幅值的運動，因此其理論上具有較好的抗沖擊能力；重慶郵電大學提出了一種諧振梁陀螺[37]，其樣機及測試圖如圖13所示，并對該結構進行了11 000g的沖擊測試。

中電26所在應力集中的部位設計圓弧開槽結構如圖14所示，用以釋放應力。通過綜合優化后，石英微機械陀螺的抗高沖擊能力可達到10 000g，并保持了較好的性能[38]。航天長征火箭技術有限公司通過在封裝結構中增加多級緩沖機構以減緩高g值對傳感器的破壞，仿真結果顯示該陀螺可以承受3個方向5 000g的加速度沖擊[39]。

在基于四波腹振型模態工作原理陀螺高過載測試和仿真方面，英國BAE公司研制了硅微環形陀螺SiVSG，該陀螺利用四波腹振型模態，并采用了電磁驅動檢測方式，可承受至少20 000g的炮彈發射過載，但過載前后陀螺儀的零偏穩定性和標度因數穩定性分別從85°/h和0.69‰ 惡化至110°/h和0.91‰（性能退化近30%），如圖15所示[1，40]；韓國亞洲大學（Ajou University）提出了一款用于戰術級的電容驅動和檢測式陀螺結構，如圖16所示，該結構采用了圓片級真空封裝，在過載峰值為15 900g持續時間1.2 ms的空氣炮作用下，其標度因數穩定性和零偏穩定性分別由過載前的0.027‰和0.76°/h變為過載后的0.049‰和0.83°/h，性能有所退化（零偏穩定性性能退化9%，標度因數性能退化80%）[41]。

中科院電子所提出了電磁驅動和檢測式陀螺結構，如圖17所示，經有限元軟件仿真該結構可抗10 000g過載，但并未報道相關的過載試驗數據[42-43]。中北大學也提出了一種內部呈“S”形梁支撐形式的環形陀螺結構（見圖18），仿真結果顯示結構自身可承受1 000g的過載[44-46]；同濟大學對環形陀螺進行了抗過載結構優化，在11 000g過載峰值輸入的情況下，優化后的環形結構最大應力值為421.8 MPa，小于硅材料的許用應力，證明了環形結構形式具有較好的抗沖擊能力[47]；北京理工大學提出的金屬錐形陀螺（見圖19）在10 000g以上的高過載環境中驅動和檢測模態諧振頻率變化0.2%，說明該結構具有較好的抗高過載能力[48-50]。

中北大學提出了一種高靈敏度且抗高過載的微機械磁阻陀螺（如圖20所示）[51]，采用電磁驅動和磁阻檢測的方式，通過仿真證明了該結構驅動方向可承受100 000g過載沖擊，檢測方向可承受70 000g過載沖擊，結構的靈敏度為53 nm/（（°）·s）。

3 總結與展望

從面向制導炮彈的應用背景出發，通過對膛內過載環境的量化分析，提出了彈載慣性制導系統中高過載微機械陀螺高過載能力的需求，并在此基礎上，對微機械陀螺儀的失效機制進行了歸納和分析。結合國內外相關機構在抗高過載微機械陀螺方面的研究，總結歸納了不同測控原理、不同工作方式、不同結構形式的微機械陀螺儀的抗沖擊能力。但目前并未出現任何在高過載（炮擊）環境前后微機械陀螺參數未發生變化的報道，說明抗高過載微機械陀螺儀方面的研究工作還需要進一步深入開展，本文認為提高微機械陀螺儀抗高過載特性可從以下5個方面進行改進。

1）采用其他驅動-檢測方式代替梳齒電容方式 梳齒電容在過載時容易發生斷裂和結構吸合以致陀螺結構失效，可采用電磁、磁阻效應等檢測原理替代梳齒電容檢測方式[1，51]。

2）采用四波腹振型模態等工作方式代替線振動工作方式 實驗數據表明，四波腹振型模態工作方式在高過載狀態下性能退化現象優于線振動工作方式的陀螺結構[1，41，48]，尤其是在其全角工作模式下，通過四波腹相位信息反映輸入角度[52]，相位信息對沖擊造成的線位移幾乎不敏感。

3）采用合理的吸能和釋能機構 在現有結構中增加合理的吸能和釋能機構以吸收和釋放由于高過載產生的應力和能量以保護結構[31，38]。

4）采用碳化硅等新材料代替硅材料 充分利用碳化硅等新型抗高過載性能好的材料替代硅材料，達到提升高過載特性的目的[26]。

5）采用多級抗過載防護技術提高陀螺整體抗過載能力 可在MIMU外殼、陀螺外殼、陀螺結構外殼、陀螺結構基底等多個環節進行抗過載處理，分級吸收沖擊應力波，最終提高陀螺整機抗過載能力[39，53]。

隨著新原理和新材料的不斷成熟和應用，高過載環境將不再成為微機械陀螺的禁區，如何能夠降低成本和體積、提高產量和標定效率、與MIMU集成將是抗高過載微機械陀螺在下一階段中亟待解決的問題。

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