先進微陀螺器件及微慣性測量單元最新研究進展

何 杰，樸繼軍，朱玲瑞，袁小平，胡少勤

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060；2.中國電子科技集團公司第四十四研究所，重慶 400060)

0 引言

傳統高靈敏度慣性測量技術已進入精度發展極限，三浮陀螺和靜電機電高精度陀螺儀近30年不再發展，光學陀螺技術在國外近10年無明顯進展。微機電系統(MEMS)陀螺儀雖然具有光明的應用前景，但精度仍未達到期望的要求，在性能上與傳統陀螺儀還存在很大的差距，難以滿足軍事及工業應用對高精度MEMS陀螺的需求。

本文基于近年來美國國防高級研究計劃局(DARPA)在微慣性傳感器技術領域的資助項目，綜合研究了MEMS諧振陀螺、微光學陀螺(MOG)、聲表面波陀螺(SAWG)等微慣性傳感器技術及微慣性測量單元(MIMU)的最新發展現狀，并對其發展面臨的技術挑戰進行了分析與評述。

1 DARPA重點支持的微陀螺研究項目

MEMS陀螺性能的進一步提升、核磁共振陀螺(NMRG)的發展及基于集成光學技術的MOG等微慣性傳感器技術被認為是目前能將MEMS慣性傳感器從低/中精度應用領域帶入中/高精度的軍用和工業應用領域的3種重要的微慣性傳感器技術。圖1為高性能MEMS慣性傳感器在軍事和工業領域的應用。

圖1 高性能MEMS慣性傳感器的四大應用領域

20世紀90年代，美國DARPA啟動了一系列微慣性器件技術的研究項目。在其資助下，Draper、Honeywell、諾斯羅普·格魯曼、BAE 等研制出軍用MEMS慣性器件，并在軍用產品中實現批量應用。目前，MEMS慣性傳感器在常規武器的制導化改造、中近程戰術導彈、軍用慣性平臺、軍用航空載具姿態測量等領域獲得了廣泛應用，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的必然選擇，也是慣性制導與導航技術的發展方向。據美國國防部預測，到 2020 年美軍 90%的制導武器將采用 MEMS 慣性傳感器，如圖2所示[1]。

圖2 2020年，美軍90%的制導武器將采用MEMS慣性傳感器

DARPA的NGIMG和MRIG項目都取得了突破性的進展。2014年，波音公司報道了其研制的基于Si的直徑8 mm多環諧振盤陀螺(DRG)實現了零偏穩定性基于DRG陀螺的指北儀體積約為163.87 cm3，質量約為0.11 kg[4]，而基于熔融石英材料直徑為?8 mm或更大直徑的DRG正在研制中，預期目標是DRG的品質因數(Q)值提高1～2個數量級，ARW提升1個數量級。諾斯羅普·格魯曼公司研制的核磁共振陀螺[5]實現的零偏穩定性已提高至0.01 (°)/h，ARW為0.005體積為10 cm3，陀螺采用真空封裝，已在“獵戶星座”和T-6B飛機上進行了獨立測試。

2015年，DARPA提出了“穩定型精確慣性制導彈藥(PRIGM)”計劃[6]，研制具有低CSWaP(成本、尺寸、質量和功耗)特性的“先進微慣性傳感器(AIMS)”，滿足在高沖擊和高振動環境下應用，且具有高動態范圍、低噪音、高精度的慣性器件，其詳細技術指標如表1、2所示。表中，目標1為高動態環境器件指標，目標2為高精度和高穩定性器件指標，g=9.8 m/s2。

表1 具有低SWaP和環境適應性的DARPA AIMS項目研制指標

表2 DARPA新型微慣性傳感器AIMS項目研制指標

PRIGM-AIMS項目重點支持的3種MEMS慣性器件的研制方向為：

1)全對稱結構的MEMS諧振陀螺(速率積分陀螺)。

2)片上集成光波導陀螺。

3)SAW陀螺。

PRIGM-AIMS項目計劃執行3個階段共42個月，目前，DARPA的PRIGM-AIMS項目計劃仍在執行中。同時，DARPA強調只支持結構上高度對稱的二維或三維的MEMS陀螺研制，不再支持音叉型MEMS 陀螺的研制。DARPA關于MEMS慣性器件的研制計劃具有重要的參考價值，能夠代表MEMS慣性器件的發展方向。

2 微陀螺器件的最新研究進展

2.1 全對稱結構的MEMS諧振陀螺

MEMS陀螺儀的結構可分成兩類：非簡并模態陀螺儀和簡并模態陀螺儀。非簡并模態陀螺儀一般由一個或多個質量塊或大框架組成，彈性梁將質量塊支撐和連接起來，并擁有兩個方向的自由度。因此，驅動和檢測方向上的彈性梁是不同的，如諧振梁式陀螺儀、音叉式陀螺儀等。簡并模態陀螺儀的結構一般是軸對稱，如微半球諧振陀螺(mHRG)。半球諧振陀螺儀(俄羅斯稱為固體波動陀螺[7])的發展經歷了金屬半球諧振陀螺、石英半球諧振陀螺的研制與升級。在發展過程中有多種結構變化，衍生出微半球諧振陀螺、諧振環陀螺(VRG)和蝶形諧振陀螺(DRG)等多種三維、二維結構。這些結構適合目前的MEMS制造工藝，可實現低成本批量化生產。mHRG采用特有的中心軸對稱敏感結構，使其具備全角測量能力，即直接測量輸入角度。與傳統角速度測量方式相比，角度信息需要通過對角速度信號進行積分求得，mHRG直接測量輸入角度，避免了長時間對角速度積分的累計誤差以及角度和角速度模式之間的切換，較傳統角速度檢測模式的MEMS陀螺儀具有更好的性能。中心軸對稱敏感結構使mHRG對環境變量(溫度、振動等)不敏感，其精度高，動態范圍高，抗沖擊、抗外界干擾能力強，特別符合智能裝備的制導需求，可用于未來多種中高精度裝備平臺載體，尤其是高動態旋轉裝備用慣性導航系統。

mHRG研究的難點在于制備出高度對稱、表面光滑的半球殼諧振器。目前加工微半球諧振子的工藝主要有薄膜沉積工藝、玻璃吹制工藝和噴燈法。2018年，在DARPA“穩定型精確慣性制導彈藥先進微慣性傳感器(PRIGM-AIMS)”項目的支持下，密歇根大學無線集成微傳感與系統中心的研究人員采用改進的噴燈法工藝制作出了一種新型熔融石英精密殼體集成(PSI)微諧振器原型樣機[8]，這種PSI微諧振器具有可控的剛度和質量分布，用于實現的mHRG不僅具有很高的哥氏力敏感性，且還具有高的抗沖擊和振動性能。

2.2 諾斯羅普·格魯曼公司在核磁共振陀螺的物理封裝上取得突破

在DARPA的支持下，諾斯羅普·格魯曼公司從2005年開始研制核磁共振陀螺，2014年，該公司實現了零偏穩定性為0.01 (°)/h的核磁共振陀螺樣機[9]。然而，當前核磁共振陀螺儀的物理封裝設計包含了許多新的組件和材料，這些組件和材料存在新的問題與挑戰，如使用磁屏蔽層內的鐵氧體內層只能部分消除陀螺儀中顯著的場梯度，仍會有明顯的殘余場梯度。將氙自旋相干壽命限制在1 s或更短時間內，將顯著降低可實現陀螺儀的ARW和零偏穩定性能。諾斯羅普·格魯曼公司提出了一種新的熱消磁法來解決這個問題，他們采用熱消磁鐵氧體屏蔽層封裝的核磁共振陀螺的單元場梯度旋轉壽命比采用傳統的場消磁鐵氧體屏蔽元件的單元場梯度旋轉壽命長100～1 000倍[10]。

2.3 MOG

MOG是光學陀螺微型化的一個重要可選方案，其基本原理與光學陀螺相同，但其檢測光路用集成光波導代替了光纖。因此，MOG能夠采用光電集成技術和半導體工藝把激光器、相位調制器、光電探測器、波導環形諧振腔(WRR)和檢測電路等部件集成到一個芯片上，從而實現單片集成并可批量生產，降低成本。能夠滿足低成本、小尺寸、小質量、低功耗(CSWaP)要求的MOG已被DARPA明確為未來高精度、大動態范圍陀螺的重要技術發展方向之一。

2018年，美國加州理工學院托馬斯·J·沃森應用物理實驗室利用碟形波導研制了諧振型布里淵陀螺原型樣機[11]。受激布里淵激光由一個直徑36 mm、高Q值硅基二氧化硅碟型波導諧振腔激發，其中諧振腔的自由譜線寬度被嚴格的設置為布里淵頻移的1/3。陀螺利用順時針2級次布里淵散射光與順時針3級次布里淵散射光在薩格納克(Sagnac)效應影響下的區別來檢測角速度。測試表明，其零偏穩定性約為3.6 (°)/h，陀螺能夠檢測的最小轉速為22 (°)/h(性能比目前的諧振型微陀螺提高了40倍)，陀螺帶寬為1 kHz。該研究得到了DARPA PRIGM-AIMS項目的資金支持。圖3為加州理工學院研制的微光學陀螺原型樣機。

圖3 加州理工學院研制的微光學陀螺原型樣機

目前市場上最小的高性能光學陀螺儀比高爾夫球還大，不適合便攜式應用。加州理工學院的一個研究團隊采用一種稱為“相互靈敏度增強”的新技術來改進性能[12]，“相互”意味著對陀螺儀內兩束光的影響一樣，由于Sagnac效應依賴于檢測兩束光在相反方向上行進時的差異，因此，它被認為是非互易的。在新陀螺儀內部，光線從微型光學波導(攜帶光的小導管，功能與電線相同)中通過，光路中可能影響光束的缺陷(如熱波動或光散射)和任何外部干擾都將對兩束光產生相同的影響。該技術團隊找到了一種方法來消除這種“相互”噪聲，同時保留Sagnac效應的信號。相互的靈敏度增強改善了系統中的信噪比，并使光學陀螺儀能集成到比一粒米還小的芯片上。與目前最先進的小型化光纖陀螺相比，實現的這種全集成納米光子光學陀螺原型樣機能夠檢測到小30倍的相位漂移而體積只有其1/500，未來有望在無人機和航天器上獲得應用。

2.4 微聲陀螺

基于聲學原理的微型陀螺傳感器是MEMS慣性傳感器的一個重要分支，微聲陀螺主要包括SAWG和體聲波(BAW)陀螺。一般采用SAW或BAW器件作為敏感元件，通過特定的機械結構敏感外界角速度，將外界角速度的變化轉換為聲波器件的機械應變，進一步轉換為聲波的諧振頻率或相位延遲的變化，通過檢測聲波的頻率或相位的變化來檢測角速度的變化。

2018年，卡內基梅隆大學的一個研究團隊在Y切鈮酸鋰(LN)4寸(1 in=2.54 cm)片上制作SAWG，并研究了大小不同的兩種諧振腔對SAWG噪聲性能的影響[13]。結果表明，采用較大諧振腔的SAWG具有更好的性能，他們宣稱，其制作的SAWG原型樣機的ARW指標已可與目前戰術級MEMS振動陀螺(MVG)不相上下，未來他們將進一步探索采用新材料來提高諧振器的Q值和叉指換能器(IDT)指條的反射性能。

3 微慣性測量單元(MIMU)的最新進展

在實際的軍事和商業使用中，單一方向的加速度或角速度檢測無法滿足各方面的需求，為獲得物體運動的完整信息，需要同時檢測3個正交方向的加速度和角速度信號，故而需要將多個微慣性器件通過一定的組合方式組成MIMU，實現對六自由度慣性參數檢測的功能。MIMU是集微加速度計、微陀螺儀、專用集成電路、嵌入式計算機于一體的微慣性測量組件，其具有功耗低，體積小，功能全的特點。MIMU具有明顯的軍民兩用特點。在民用方面，MIMU不僅能夠應用于航空和車輛自動駕駛，并在自動控制、機器人及工業自動化等方面也具有非常大的發展潛力；在軍事應用方面，MIMU在常規兵器中有廣闊的發展前景。目前，國外從事MIMU研制和生產的主要機構有美國霍尼韋爾公司、ADI公司、挪威SENSONOR公司及英國BAE公司等。

2016年，ADI公司推出的一款最新微慣性測量單元-ADIS16490的零偏穩定性達到1.8 (°)/h，加速度計的零偏穩定性達到3.6 μg，在目前同類解決方案中體積最小，功耗最低，可應用于戰術級導航、無人駕駛汽車領域。挪威SENSONOR公司開發的STIM系列MIMU已經具備優異的性能和很強的環境適應性，可以應用于多軍事領域，其最新產品STIM300 MIMU的陀螺零偏達到 0.5 (°)/h，其性能足以代替光纖慣導。圖4為ADI公司和SENSONOR公司的MIMU實物照片。

圖4 ADI公司和SENSONOR公司的MIMU實物

英國BAE公司的MIMU已實現系列化，最小體積僅25.4 mm3，可以植入到士兵的戰靴中，實現單兵全時導航。BAE公司的MIMU在高速旋轉彈、中程導彈和美國155 mm制導神箭炮彈(Excalibur)等武器系統中得到了應用。

目前，MIMU技術仍是學術界和工業界研究的熱點。美國DARPA微系統技術辦公室自2015年5月就開始征集“精確制導彈藥導航級慣性測量單元”(PRIGM:NGIMU)項目提案，PRIGM:NGIMU項目的目標是“研發一種基于MEMS的導航級慣性測量單元(IMU)，具有機械/電結構，能夠插拔替代現有老舊國防平臺中的戰術級IMU；PRIGM:AIMS將探索替代技術和商品來實現慣性感知，包括光電和MEMS-光電集成以及全新架構和材料系統”；最終，PRIGM:NGIMU希望“為未來研發高性能慣性傳感器發現具備前景的候選技術，滿足長航時任務和在極端環境中的部署”[6]。2016年3月，DARPA選定諾斯羅普·格魯曼公司開發基于MEMS的新一代IMU，要求諾斯羅普·格魯曼公司通過集成先進的MEMS慣性傳感器，開發低成本、小尺寸、低功耗的小型化導航級IMU來替代現有的IMU，提供更精確的導航數據。在這份總價值為627萬美元的成本加固定費用價格(CPFF)基本合同中，要求諾斯羅普·格魯曼公司驗證其MEMS陀螺儀和加速計滿足規定性能及環境要求，同時還追加了530萬美元的MIMU研制合同，指定評估LR-500是否滿足尺寸、質量、功率及性能參數要求，隨后在國防部仿真環境中進行IMU原型系統測試。2016年10月，DARPA與霍尼韋爾公司簽訂了開發下一代精確慣性技術的合同，開發可用于GPS拒止和高對抗環境的、比現有HG1930 IMU高3個數量級的IMU。通過與DARPA的合作，霍尼韋爾公司將在慣性傳感器的設計與制作中進一步實現陀螺儀和加速度計的小型化，提高IMU的性能，降低其功耗，以提供具有更高精度和更低成本的精確導航解決方案。

3.1 諾斯羅普·格魯曼公司開發基于mHRG的慣性傳感器組件(ISA)

2012年，諾斯羅普·格魯曼公司完成了第二代微半球諧振陀螺(Gen-2 mHRG)的研制與測試[15]。隨后，基于其研制的第二代mHRG，諾斯羅普·格魯曼公司開發出了第一款ISA演示驗證單元(ISA DU)，并在2018年報道了其研制成果。該ISA由4個Gen-2 mHRG、四通道諾斯羅普·格魯曼公司的哥氏振動陀螺(CVG)控制/數據采集電路、任務計算機和3個SiAcTM MEMS加速度計構成。圖5為諾斯羅普·格魯曼公司的ISA實物照片。下一步他們將繼續對目前的ISA加以優化，從而研制出一種可商業化生產的具有完全實時自校準功能的mHRG ISA。

圖5 諾斯羅普·格魯曼公司研制的基于mHRG的MIMU演示驗證樣機

3.2 亞諾德半導體公司(ADI)開發出可用于自動駕駛汽車導航的無加速度計MIMU

美國亞諾德半導體公司基于戰術級MEMS 陀螺儀(零偏穩定性為1 (°)/s)開發了一款六自由度(DOF)的MIMU[16]，用于自動駕駛汽車的導航。這款MIMU用速度計代替了傳統MIMU中的加速度計，從而在組件實現過程中省去了集成步驟。試驗表明，使用MIMU進行陸地車輛導航可達到類似于民用GPS的精度，當汽車以40 km/h的速度勻速行駛時，10 min內的位置誤差為30 m。

4 分析與評述

以mHRG為代表的全對稱結構MEMS諧振陀螺具有無機械帶寬限制、無集成誤差、結構(蝶形或殼體)抗沖擊和振動性能優良、環境穩定性好等優勢，但全對稱結構MEMS諧振陀螺的研制也存在高對稱性結構加工難，周向敏感導致信噪比(SNR)低等技術挑戰。隨著mHRG技術的逐步成熟，mHRG將更多地進入陸地和航海導航應用領域，基于mHRG的小型化精密瞄準和指向系統(PPTS)未來在GPS拒止、高動態環境下的精密導航與制導領域將獲得廣泛應用。

MOG具有無運動部件、高集成度可降低CSWaP、環境敏感性比傳統光學陀螺低等優勢，是高精度陀螺實現微小型化和集成化的重要途徑，在微納衛星姿態控制、微小型無人機等領域有著廣泛的應用前景。MOG目前還處在原理驗證和原型樣機研究階段，在低損耗波導、多波導垂直集成、高SNR的實現以及光子集成等方面還面臨嚴重的技術挑戰，其核心敏感器件波導環形諧振腔(WRR)是目前的研究重點。

在傳統SAWG結構中，由旋轉引起的SAW參數變化極小，SAWG信號過于微弱，當時的技術難以檢測出SAWG效應信號，因此，自20世紀70年代以來，SAWG技術的發展較慢。近年來，在DARPA PRIGM-AIMS項目的支持下，SAWG的研究重新獲得人們的關注。微聲陀螺具有無運動部件、環境魯棒性高、抗高過載、采用光學讀出可提高陀螺靈敏度等優勢，但熱穩定性、SAWG信號的檢測是研制微聲陀螺面臨的技術挑戰。

核磁共振陀螺儀具有高精度、小體積等特點，是成熟度較高的原子陀螺儀。在突破了微型高性能原子氣室制備、微型磁屏蔽制備及物理封裝等技術障礙后，目前正在向體積芯片化和精度導航級發展，再經過幾年的發展，有望以捷聯的方式應用于戰術武器裝備。

5 結束語

隨著微機械加工精度、集成化水平、敏感結構的封裝等關鍵問題的解決，未來微陀螺技術的精度仍有較大提升空間，將會逐步進入導航級水平，在中/高端軍事和工業領域將得到越來越廣泛的應用。