微小型慣性儀表發展現狀、趨勢以及對行業的影響

2021-03-15 03:07:42王寶軍

中國慣性技術學報 2021年6期

鄭辛，劉飛，雷明，王寶軍

（1. 中國航天科工集團有限公司，北京100048；2. 北京自動化控制設備研究所，北京100074）

慣性技術是利用牛頓經典力學和近代物理學原理進行運動物體姿態/軌跡測量與控制的應用技術，涉及精密機械、自動控制、電子學、計算機、光學、精密加工工藝、材料等學科，包括慣性儀表、慣性系統、慣性導航、慣性制導、慣性測量、慣性穩定等；其中，慣性儀表包括陀螺和加速度計，是慣性技術的基礎和核心。

按照陀螺工作原理可將慣性技術分為機電、光學、微機電（MEMS）和原子等四代。第一代慣性技術主要基于牛頓經典力學，以三浮陀螺、靜電陀螺等為代表，主要面向戰略級應用需求，不計成本地追求高精度；第二代慣性技術主要基于薩格奈克效應，以激光陀螺和光纖陀螺為代表，特點是啟動時間短、動態范圍大、環境適應性強，主要用于滿足導航級、戰術級應用需求；第三代慣性技術主要基于哥氏振動效應和微納加工技術，以MEMS陀螺、速率積分半球諧振陀螺等為典型代表，特點是體積更小、成本更低、易于大批量生產；第四代慣性技術主要基于量子力學，以核磁共振陀螺、原子自旋陀螺、原子干涉陀螺為代表，在精度方面有較大潛力，目前處于實驗室攻關階段。

從發展歷史來看，慣性技術主要通過需求牽引和技術推動獲得快速發展。戰略裝備的超高精度需求、精確制導類應用兼顧精度/體積/成本的需求以及新原理、新材料、新工藝技術都對慣性技術發展產生深遠影響。這一過程中，以陀螺為代表，呈現出體積、重量、功耗、成本不斷下降的規律。以內部器件的數量為例，已經由機械陀螺的100多個元件，發展到MEMS陀螺只有3個元件[1]；最終目標是確保慣性系統在獲取高精度的同時實現低成本，既能“用得上”，又能“用得起”。

近年來，以高精度硅MEMS陀螺、集成化微光纖陀螺、速率積分半球諧振陀螺、諧振式加速度計為代表的新型慣性儀表技術發展迅猛，相比傳統慣性儀表，能夠同時獲取高精度和低SWaP+C（Size Weight and Power, plus Cost，體積、重量、功耗和成本）指標，正推動慣性技術產生新變革。本文重點結合上述四種儀表，論述國外最新進展，展望發展趨勢，預測其對行業的影響，旨在為國內相關技術研究提供參考。

1 高精度硅MEMS陀螺

硅MEMS陀螺基于哥氏振動效應和硅基微納制造技術，突出優點是成本低、體積重量功耗小、集成性高及抗惡劣環境等。1992年，美國Draper實驗室研制出了世界上第一只能夠敏感角速度的硅MEMS陀螺[2]，經過近三十年來的技術積累、更新與迭代，精度逐步提升、尺寸逐步壓縮，目前典型的結構形式以霍尼韋爾公司的雙質量塊、加州大學歐文分校和諾格公司的四質量塊、波音公司的多環為代表，總體已經形成了產品批量生產與應用、技術積極推進研究的良性循環。

1.1 最新進展

（1）傳統雙質量塊方案不斷提升精度潛力

霍尼韋爾公司硅MEMS陀螺技術研究最早來源于Draper實驗室的技術轉讓，目前主力產品為HG1930、HG4930等，以微慣性測量單元（IMU）形式出現，內部包括1個面外（Z軸）陀螺/加速度計和兩個面內（X軸）陀螺/加速度計，其中Z軸陀螺和X軸陀螺均為雙質量音叉結構。近年來，該公司通過對敏感結構進行改進設計，通過增大敏感質量、提高初始電容，基于模態分離大頻差工作方式，在提升靈敏度的同時獲取大帶寬、強魯棒性。2021年，該公司報道用于新一代高精度微慣性測量單元HG7930樣機中的硅MEMS陀螺（如圖1所示）角度隨機游走達到0.0035 °/全溫零偏穩定性達到0.21 °/h[3]，整體精度相比上一代產品提升一個數量級以上。

圖1 霍尼韋爾公司高精度硅MEMS陀螺Fig.1 The high performance Si-MEMS gyro of Honeywell

（2）四質量塊方案引領技術發展潮流

美國加州大學歐文分校高精度硅MEMS陀螺采用對稱式四質量結構方案[4]，如圖2所示，具有角速率和角度（速率積分）兩種輸出模式，兼具大諧振質量、大角增益、大振幅和對稱模態的優點。通過耦合梁優化，有效降低結構同向運動對反向運動的干擾，提高結構的魯棒性；采用吸氣劑技術，Q值高達1百萬；原理樣機角度隨機游走優于（仿真值），具備超越導航級的精度潛能。

圖2 加州大學歐文分校高精度硅MEMS陀螺表頭Fig.2 The high performance Si-MEMS gyro sensor head of UCI

美國諾格公司在國防部高級研究計劃局（DARPA）“高精度強魯棒性慣性導航（Precise Robust Inertial Guidance for Munitions, PRIGM）”等項目的支持下開展了四質量塊MEMS陀螺工程化工作，基于8英寸標準全硅工藝及晶圓級真空方式在壓縮成本的同時有效降低了后道封裝的難度，采用高性能ASIC技術大幅降低功耗，通過動態自校準技術進一步提升精度。2020年，該公司報道其陀螺（如圖3所示）零偏穩定性達到0.01 °/h（Allan方差），角度隨機游走達到具備導航級應用潛力。

圖3 諾格公司高精度硅MEMS陀螺敏感結構和ASICFig.3 The high performance Si-MEMS gyro sensor and ASIC of Northrop Grumman

（3）全對稱環形是另一重要技術路線

美國波音公司高精度硅MEMS陀螺采用直徑8 mm的多環結構，利用輻梁將十余個同心圓環串聯，在實現振型對稱的同時大幅增加了諧振質量和檢測電容，如圖4所示。采用中心單點支撐并對梁寬等參數進行優化，有效降低了熱彈損耗和支撐損耗；襯底與敏感結構均采用硅材料，有效降低熱失配；測控電路采用驅動、檢測閉環方式，同時通過多個控制回路對哥氏力耦合和外部環境引入的誤差進行抑制，原理樣機零偏穩定性優于0.037 °/h（1σ），角度隨機游走滿足導航級應用需求；環形MEMS陀螺近期研究集中在微加工工藝優化、優良率提升等[7]。

圖4 波音高精度硅MEMS陀螺表頭Fig.4 The high performance Si-MEMS gyro sensor head of Boeing

1.2 發展趨勢及展望

硅MEMS陀螺經驗證具備導航級及更高精度潛能，通過對其最新進展進行研判，主要趨勢如下：

（1）為實現高靈敏度、強抗干擾，高精度主流方案中敏感結構的對稱度逐步提高，傳統雙質量塊方案在不斷發力的同時，四質量、多環等新型結構研究逐步引領潮流。

（2）加工工藝由傳統的硅-玻璃工藝過渡到全硅工藝，降低材料不匹配引起的漂移。

（3）采用晶圓級高真空、薄膜吸氣劑等技術，實現高Q值，實現機械增益的大幅提升。

（4）采用檢測閉環、模態匹配和正交耦合誤差抑制等多回路提高誤差抑制能力，具體實現上采用數?；旌螦SIC，滿足SWaP+C指標要求。

硅MEMS陀螺綜合性能的提升將有力促進慣性測量單元及系統的小型化（如圖5），此外，除了儀表自身的精度提升，有賴于微小型旋轉調制、片上集成等系統級技術快速發展，將帶動硅MEMS陀螺精度和SWaP+C優勢的進一步擴大。

圖5 由高精度硅MEMS陀螺構成的慣性測量單元Fig.5 A IMU composed of high performance Si- MEMS gyros

2 集成化微光纖陀螺

隨著光電子和微納加工技術的迅猛發展，兼具發光/耦合/調制/探測等多種功能的集成光學芯片在通信領域逐步獲得應用。以此為契機，基于集成光學芯片的集成化微光纖陀螺逐步具備了相應的研究基礎。集成化微光纖陀螺在方案實現上能夠充分發揮集成光學芯片的小尺寸、低成本優勢，大幅提升光纖陀螺的SWaP+C綜合性能。

2.1 最新進展

2017年，美國加州大學基于硅基平臺開展了集成化微光纖陀螺研究工作[8]，在4.5 mm2硅襯底上實現光源、探測器、耦合器、相位調制器的混合集成。如圖6所示，采用保偏光纖環圈作為敏感環，通過空間光耦合方式實現芯片/光纖連接，使用RF探針與芯片建立電接觸，整個對準裝置放置在光具座上，而光纖環圈放置在單獨的旋轉臺上，進行了集成化微光纖陀螺樣機的動態和靜態性能測試，測得陀螺標度因數為6.28 μV/(°/s)，靈敏度為0.53 °/s，研究人員指出集成光學芯片的光電串擾及硅基調制器附加強度調制誤差是限制陀螺精度的主要因素。

圖6 美國加州大學研制的集成光學芯片Fig.6 Integrated optical chip proposed by the university of California

2018年，美國霍尼韋爾公司完成了光源、探測器、耦合器、相位調制器等多個光學器件的加工和混合集成[9]，封裝后的集成光學芯片如圖7所示。通過增大集成光學芯片的尺寸實現功能單元間的隔離，有效抑制光學芯片光熱電串擾。搭建成功集成化微光纖陀螺原理樣機，實驗室條件下的陀螺精度優于0.02 o/h。受限于集成光學芯片、信號檢測電路和光纖環圈尺寸制約，陀螺樣機體積還較大，其SWaP+C綜合性能尚無法滿足微小型導航系統應用需求。

圖7 霍尼韋爾公司研制的集成光學芯片和集成化微光纖陀螺樣機Fig.7 Integrated optical chip and integrated micro-fiber gyroscope prototypes proposed by Honeywell

2019年，美國KVH公司在1 cm2尺寸的光學芯片上集成了2個耦合器和1個起偏器，測試表明光學芯片的分束比和偏振性能明顯優于分立光學器件[10]，并成功應用于公司的開環集成化微光纖陀螺產品，如圖8所示，采用PZT壓電陶瓷實現信號調制以進一步降低陀螺成本，產品通過了全溫和可靠性測試，精度達到0.048 o/h。目前，KVH公司的集成化微光纖陀螺已形成完整的高性能IMU系列。

圖8 KVH公司低成本集成化微光纖陀螺Fig.8 Low-cost integrated micro-fiber gyroscope proposed by KVH

2019年，美國Emcore公司發布了一款1550 nm波段的集成光學芯片，將光源、探測器和耦合器這3種器件實現了集成，具有高度集成、堅固耐用等技術特點。光源采用TEC制冷控制，并在器件內部集成了監測探測器，用于對功率和波長波動進行檢測以實現補償，搭建成功全閉環方案集成化微光纖陀螺產品，顯著提升了公司光纖陀螺產品的SWaP+C綜合性能，陀螺（如圖9）在Φ60 mm×21 mm外形尺寸下實現了優于1 °/h的陀螺精度，并成功應用于無人機導航、平臺穩定控制等領域。

圖9 Emcore公司研制的集成光學芯片和微光纖陀螺產品Fig.9 Integrated optical chip and integrated micro-fiber gyroscope proposed by Emcore

2.2 發展趨勢及展望

對近年來集成化微光纖陀螺研究現狀和發展動態的梳理，展望未來，形成如下認識：

（1）“光器件芯片化+電路ASIC化+環圈小型化”方案的集成化微光纖陀螺有望快速實現系統應用。

基于光源/耦合器/探測器集成方案的集成化微光纖陀螺，國外已經形成了系列化產品，隨著ASIC電路集成度的提升以及細徑光纖技術的進一步發展，使得該方案集成化微光纖陀螺在導航級精度范圍具有良好的SWaP+C綜合性能優勢，有望在3~5年時間形成產品，實現慣性導航系統應用。

（2）硅基集成光學芯片有望將芯片尺寸從cm2量級降低到mm2量級。

目前國際上研制成功的硅基光網絡芯片在176 mm2尺寸下集成了多達400個光源/探測器/調制器，硅基雷達光芯片在69 mm2上集成了多達138個通道。針對LiNbO3體材料相位調制器難以與硅集成等瓶頸難題，可以采用目前國際最新的硅基LiNbO3薄膜相位調制器，實現光源、探測器、耦合器和相位調制器的單片式全集成，將集成光學芯片尺寸大幅降低到mm2量級。

3 速率積分半球諧振陀螺

半球諧振陀螺是利用半球殼唇緣的徑向駐波進動效應來感測基座旋轉的一種振動陀螺。相關產品精度范圍可覆蓋（0.1～0.00001）°/h，滿足絕大多數裝備的應用需求。2000年以前，國外主要發展速率式半球諧振陀螺，精度可達0.0001 °/h，但測量范圍小于10 °/s，主要用于高價值的宇航領域。之后法國賽峰公司等對其進行了創新性改進，主要體現在兩點，一是陀螺的工作模式由速率模式發展為速率積分模式，理論測量范圍無限，二是結構進一步得到簡化，由最初的“激勵電極+諧振子+檢測電極”三件套結構逐漸發展為“平板電極+諧振子”兩件套結構，體積重量功耗進一步壓縮[11]。速率積分模式是半球諧振陀螺技術升級的結果，具有更好的應用前景，是當前和今后高性能、高可靠性半球諧振陀螺的重要發展方向。

3.1 最新進展

速率積分半球諧振陀螺的研究以法國賽峰公司為代表，近幾年技術水平得到大幅提升，主要體現在以下方面：通過結構設計優化實現了諧振子批量化制造與裝配，極大地降低了成本；通過石英玻璃快速、高精度加工，自動化6自由度調平，使諧振子加工精度、速度、成品率得到了提升；通過全角控制與冗余方案設計相結合實現陀螺誤差在線標定，大幅提升了陀螺精度水平[12]。

目前，賽峰公司具備零偏穩定性（0.1~0.01）°/h陀螺的量產能力，其產能達到25000只/年，且憑借雙核自校準技術，陀螺零偏穩定性可提高到0.00001 °/h，充分展示了半球諧振陀螺的精度潛力和工程應用水平。賽峰公司速率積分半球諧振陀螺已在陸基、航海、空間等領域廣泛成功應用[13]，典型產品包括Bluenaute AHRS船用羅經、BlueNaute系列航海慣導系統、SIGMA 20陸用導航定位系統、ARGONYX系列船用慣導系統等，2019年推出的BLACK-ONYX船用慣導系統，定位精度已達到1海里/120小時，如表1所示。

表1 法國賽峰公司典型速率積分半球諧振陀螺慣導系統參數Tab.1 The property of Safran rate integrating HRG inertial system

3.2 發展趨勢及展望

從速率積分半球諧振陀螺的研究歷程來看，呈現出以下兩個發展趨勢：

（1）為滿足各類裝備對小體積、高可靠性導航系統的需求，需向小型化、低成本、可批量制造方向發展。需進一步降低陀螺表頭尺寸，縮減結構件數量，降低諧振子制造工藝的復雜性，以近幾年發展起來的微型半球諧振陀螺為典型代表；同時，需積極研究批量鍍膜、測試和裝配等技術，實現批量化與自動化加工，提高速率積分半球諧振陀螺的產能和成品率。

（2）為滿足更高精度的自主導航需求，需突破自校準技術。通過模態反轉和振型角旋轉等方式實現在線自校準，無需像光學陀螺校準所需的旋轉機構，進而完成零偏和標度因數等誤差的辨識和消除，進一步提升精度水平。

從國外發展趨勢來看，半球諧振陀螺有望成為未來裝備主要應用的慣性傳感器，國內外主要研究單位將持續加大對半球諧振陀螺研究的投入力度，并進一步推廣其在更多軍民領域的應用。

4 諧振式加速度計

諧振式加速度計是一種基于機械諧振原理的加速度計，通過檢測諧振梁受拉/壓時的頻率變化實現加速度的測量[14]。按照諧振梁材料的不同，一般可分為石英諧振式加速度計和硅諧振式加速度計，前者利用石英晶體壓電效應進行激勵和檢測，后者采用靜電驅動和電容檢測的方式實現加速度信息的敏感。典型研究機構包括美國霍尼韋爾公司、Emcore公司，法國宇航局、iXBLUE公司、Thales公司、日本Epson公司等。諧振式加速度計具有高精度潛能（理論精度可達戰略級）、準數字輸出、抗惡劣環境等特點。

圖10 諧振式加速度計基本原理Fig.10 The principle of resonant accelerometer

4.1 最新進展

（1）石英諧振式加速度計高精度、小型化工作持續推進

石英諧振式加速度計早期多采用“石英振梁+金屬擺”異質材料集成方式，近年來，隨著微加工工藝能力的提升，逐步向“石英擺+石英梁”一體化方式過渡。美國Emcore公司石英諧振式加速度計采用單質量塊、雙諧振梁對稱布置方案。為獲取高Q值，諧振梁采用雙端音叉方式，整體結構采用石英晶體材料，通過推挽式差分效應，靈敏度提升2倍，同時有效降低溫度漂移等共模干擾。2021年，報道顯示，該公司石英諧振式加速度計樣機表頭（如圖11）尺寸1×1×0.365 inch3，零偏穩定性（Allan方差）達到0.1 μg，噪聲達到驗證了戰略級精度潛能。

圖11 Emcore公司石英諧振式加速度計表頭Fig.11 Quartz resonant accelerometer sensor head of Emcore

基于法國宇航局相關技術轉讓，iXBLUE公司開展了石英諧振式加速度計產品化工作，重點圍繞片上應力釋放結構優化、石英化學腐蝕形貌精密控制、高真空高穩定性封裝等技術開展研究。2019年4月，該公司推出首款小型導航級加速度計iXal A5，并提供精度延伸至戰略級應用的可擴展解決方案。2021年3月，iXBLUE公司公布了其加速度計進一步小型化方面的最新研究成果，如圖12所示，通過對表頭封裝結構和控制電路布局進行優化，研制的最新一輪樣機重量小于8 g、功耗50 mW，噪聲達到零偏全溫殘差優于100 μg[16]。

圖12 iXBLUE公司石英諧振式加速度計Fig.12 Quartz resonant accelerometer of iXBLUE

Epson公司石英諧振式加速度計采用全石英單諧振梁方案，重點針對頻率信息快速精確檢測問題，提出一種改進sigma-delta調制方法，原理樣機零偏穩定性達到0.64 μg（Allan方差），噪聲表頭尺寸僅為9×7×3 mm3，如圖13所示。

圖13 Epson公司石英諧振式加速度計Fig.13 Quartz resonant accelerometer of Epson

（2）硅諧振式加速度計走出實驗室，工程使用精度逐步提升

早在2005年，美國Draper實驗室即完成了戰略級精度硅諧振式加速度計原理樣機研制[18]；近年來，隨著設計、制造等單項能力的不斷提升，硅諧振式加速度計工程化進程持續加快。

2017年，法國Thales公司報道了其硅諧振式加速度計最新成果：如圖14所示，采用杠桿放大式諧振子方案，基于多層硅基微細加工、高溫共燒陶瓷高真空封裝工藝，Q值高達1.2×106；測控電路采用數?；旌螦SIC、功耗降至100 mW；樣機全溫零偏殘差優于20 μg（1σ），并完成力學、可靠性等驗證[19]，具備產品化條件，主要面向導航級應用需求。

圖14 Thales公司石英諧振式加速度計Fig.14 Quartz resonant accelerometer of Thales

2021年，美國霍尼韋爾公司報道了其硅諧振式加速度計最新成果：如圖15所示，基于雙音叉推挽式架構，同樣采用杠桿放大機構實現機械靈敏度提升，采用與該公司高精度硅MEMS陀螺兼容的制造工藝，加速度計樣機零偏穩定性優于1 μg（Allan方差），全溫零偏殘差達到105 μg（RMS），用于該公司新一代導航級微慣性測量單元HG7930[3]中。

圖15 霍尼韋爾公司硅諧振式加速度計敏感結構示意圖Fig.15 Silicon resonant accelerometer sensor diagram of Honeywell

4.2 發展趨勢及展望

諧振式加速度計經驗證具備戰略級精度潛能，通過對其最新進展進行研判，主要趨勢如下：

（1）敏感結構設計和制造方面，基于同質材料的一體化設計及制造將成為主流，通過杠桿放大原理不斷優化結構提升靈敏度，通過片上應力釋放結構降低機械應力、熱應力等影響；硅基工藝方面將圍繞深硅刻蝕、圓片級高真空封裝和保持，石英基工藝將圍繞超精細微加工、三維腐蝕形貌控制等持續突破，滿足精度、指標均衡性等要求。

（2）測控電路方面，重點圍繞頻率信息快速精確檢測，誤差的在線補償和抑制等開展研究，具體實現上由分立器件向數?；旌螦SIC過渡，滿足SWaP+C要求。

總的來看，通過吸納微納制造、新型測控方法、集成電路等方面的成果，諧振式加速度計有望在精度、SWaP+C綜合性能等方面得到持續提升，綜合性能有望很快全面滿足導航級工程應用需求。

5 對行業的影響分析

“高精度”和“小體積”是慣性儀表技術發展永恒的主題，近年來，國外同行通過研究，圍繞高精度硅MEMS陀螺等技術方向，取得了快速突破（如表2所示），部分已形成工程化產品，有望變革慣性儀表整體應用版圖。

表2 同等精度光學陀螺和硅MEMS陀螺的SWaP性能對比Tab.2 The SWaP comparison between optical gyroscope and Si-MEMS gyroscope with equivalent performance

（1）高精度MEMS陀螺方面，工程可用精度有望由戰術級向導航級快速跨越，進而改變從消費級到導航級的市場格局，形成顛覆性影響。當前高精度硅MEMS陀螺正處于光學陀螺2005年的階段，沉淀已久，蓄勢待發；須加強研究，順勢而為，實現快速批量應用。

（2）集成化微光纖陀螺方面，精度有望達到0.01 °/h，同時實現無人化、批量化制造轉變，同等精度下，SWaP+C性能相比傳統光學陀螺提升一個數量級。隨著集成化微光纖陀螺技術發展和推廣應用，對相關行業將會產生深遠的影響，具體表現在以下幾個方面：1）光纖陀螺用光電子器件由分立器件向集成化器件轉變；2）光纖陀螺用光纖環圈向小型化、多芯化方向發展；3）光纖陀螺生產模式由手工熔接裝配向自動化裝配轉變，通過自動化生產大幅提升光纖陀螺生產效率和成品率，降低生產成本，為后期光纖陀螺產品的大規模批產應用奠定基礎。

（3）速率積分半球諧振陀螺方面，與主流應用的光學陀螺相比，具有體積小、成本低、壽命長、穩定性高的優良特性，表現出了良好的綜合性能，可廣泛應用于陸用、航海、航天、宇航等各個領域。美國諾格公司與法國賽峰公司也對前景充滿信心，賽峰公司預言，如圖16所示，速率積分半球諧振陀螺有望重構陀螺技術的版圖[20]。