抗高过载微机械陀螺仪研究综述

曹慧亮 张英杰 寇志伟 石云波 唐军 刘俊

摘 要：惯性制导系统在制导炮弹中有着极其重要的作用，其中，微机械陀螺仪作为惯性制导系统的核心器件，其抗高过载能力直接制约着惯性制导系统在抗高过载环境中的应用。首先，对炮射膛内高过载环境进行了建模和量化，概括了微机械陀螺结构的高过载失效机理。其次，结合国内外相关机构公开发表的研究成果，从微机械陀螺仪的抗高过载特性的角度出发，介绍了不同测控方式、不同结构形式、不同结构材料、不同工作原理的微机械陀螺仪的抗冲击能力。最后，对相关报道和论文进行了总结和归纳，提出应从驱动-检测方式、合理的吸能释能结构配置、工作原理、新型结构材料、多级系统缓冲等方面设计和改进高过载微机械陀螺结构，以提高陀螺的抗高过载能力。

关键词：传感器技术；高过载；微机械陀螺；梳齿电容；四波腹振动；硅材料

中图分类号：TP212 文献标志码：A

文章编号：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）和新型动能武器（如电磁轨道炮）弹药发射后的角速度信息测量是一个公认的难题。究其原因主要是角速度传感器件很难经受高过载环境的冲击，高过载过程对传感器的破坏作用主要有两条途径：一是惯性力的直接冲击，二是高过载产生的应力波对结构的破坏。弹药在发射过程中，炮弹要经历巨大的过载作用以加速到预期的发射初速度，该过载过程的幅度峰值可达20 000g以上（g为重力加速度，下同），作用时间在数十毫秒以内。例如，155 mm榴弹炮在发射过程中产生的最大过载脉冲幅度为20 000g，持续时间5 ms[1]；电磁炮发射过程炮弹所受最大过载幅度为40 000g以上，炮口初速度可达到7马赫[2-3]。通过在炮弹中增加惯性制导模块的方法可为弹道修正提供基准，有效提高弹药的命中精度[4]。因此，很多发达国家已经开展了常规弹药的制导升级工作，并为新型动能武器弹药研制相关的惯性制导模块[2]，其中，美国高级研究计划局（DARPA）更是把抗高过载陀螺仪作为关键器件之一列在了μPNT计划中[5]。

河北科技大学学报2018年第4期曹慧亮，等：抗高过载微机械陀螺仪研究综述随着微机械加工工艺和测控技术的不断成熟，微机械（MEMS）陀螺仪的精度不断提高，同时凭借其体积小、质量轻、成本低、可批量生产、可靠性高等特点，各国都将其作为制导炮弹中角速率传感器的首选[6-9]。但目前微机械陀螺在高过载环境中存在两大问题：一是高过载过程不易存活，即陀螺在过载作用后失效；二是高过载后陀螺性能严重退化，即过载前后陀螺相关参数和性能（零偏值、标度因数值、稳定性等）很难保持一致。本文从高过载微机械陀螺仪角度出发，针对目前公开发表的抗过载微机械陀螺仪方面的研究报道，从结构失效机理、结构形式、测控方法、工作原理、结构材料等方面进行归纳和总结，进一步凝练出微机械陀螺仪抗高过载设计方面的方法，为其早日应用提供支持。

1 微机械陀螺仪抗高过载原理

1.1 高过载环境冲击原理

多数火炮在发射过程中产生的膛内过载特性曲线如图1所示（只显示主要趋势，忽略过载幅度波动的噪声信号）[1]。该过程主要由3个峰值点（2个正方向，1个负方向）组成，其中，某型号火炮发射过程膛内最大峰值约为20 000g，作用时间小于20 ms。

由于要经历如此高的过载过程，陀螺仪等惯性器件结构的形状、材料和振动特性等特性必会发生较大的变化[11-12]，需要对高过载环境下微机械陀螺仪结构的失效情况进行分析。

1.2 高过载状态条件下陀螺结构失效机理

在高过载条件下微机械陀螺失效机理分析方面，芬兰阿尔托大学对敏感结构、结构封装等方面进行了研究，结果显示[13]，使结构完全失效（器件失去工作能力，表现为器件未存活）的原因来自多方面，如：结构-基底键合层破裂引起的失效、结构层结构断裂引起的失效等，而陀螺仪结构的功能性失效（器件保持一定工作能力但各项参数均会变化，表现为器件性能退化）主要由于梳齿等检测机构的掉落和结构的部分损坏。进一步的分析如下。

1.2.1 完全失效

陀螺结构完全损坏以至于完全失去工作能力，输出信号与角速率无关，产生原因大致有以下3种[14]。

1）断裂或破碎：过载产生的应力超过材料的屈服强度极限，且这种状态不可逆，此外，结构在交变应力的作用下也会产生疲劳断裂，这两种现象均会出现在过载作用过程中，且往往出现在比较关键的位置，如梁与锚点连接部分等[15-17]。

2）吸合与黏附：在高过载过程中，陀螺结构摆动幅度很大，使梁“贴”在驱动电极上导致器件完全失效。黏附失效是指微机构在应用过程中彼此之间的表面吸附力大于机构的弹性恢复力时，两个微机构将会黏合在一起[18]。

3）应力与分层：微结构在加工过程中大都采用了分层键合的方法，但各层间材料在高温退火等加工过程产生的残余应力不同、温度系数不匹配，在过载施加时会导致层间脱落、断裂等现象导致结构失效。

1.2.2 部分失效

结构未完全损坏，输出信号虽然发生变化但仍能反映角（速）度信息，导致过载前后陀螺输出信号差异，产生原因大致有以下几种。

1）检测机构受损：过载对结构的检测机构产生损伤，例如，对于电容检测的结构，过载导致检测电容两极板碰撞以致极板破损，则检测信号变化。

2）部分支撑机构受损：过载施加时，壁与底连接部分局部发生断裂，但梁依然与振动质量块紧密连接，使得陀螺依然可以工作，只是改变了模态的固有频率等参数，这种情况直接影响陀螺的机械灵敏度等參数。此外结构断裂产生的碎屑和残骸也会对结构的正常工作产生较大危害。

3）梁裂缝：在过载过程中，由于应力无法释放而导致梁产生裂缝，影响结构质量或者产生应力变形。

通过分析上述失效机理，进一步对相关失效机理进行量化分析以建立陀螺结构仿真边界条件（如对于断裂，应力仿真时应设置结构参数使结构最大应力小于屈服强度等），可以更好地优化参数，提高陀螺结构的抗过载性能。

2 国内外抗高过载微机械陀螺结构研究现状

在研制应用于高过载环境的微机械陀螺仪方面，国内外多个公司和科研院所均提出了相关方案。意法半导体和美国InvenSense公司都提供了抗过载10 000g的产品[19-20]，其中采用的结构形式并未见报道。在线振动硅微机械陀螺仪抗过载报道方面，美国Honeywell公司研制的陀螺结构如图3所示，该结构目前可抗20 000g过载[21-22]，过载后陀螺仪的零偏稳定性参数从过载前的18°/h恶化到了过载后的180°/h（性能退化近10倍）；法国THALES公司研制的微机械陀螺仪如图4所示，其陀螺在20 000g过载作用后存活，但多项参数均明显恶化[23]，如零偏稳定性退化了587%，标度因数稳定性退化了218%。过载测试是针对陀螺整机，其外部结构也起到了一定的缓冲作用。

美国陆军研究实验室过载测试的陀螺在10 000g的过载作用后，标度因数由12.239 mV/（（°）·s）变化至12.177 mV/（（°）·s），零偏值由2.414 V变化至2.400 V[24]；土耳其中东科技大学研制的线振动硅微陀螺结构采用了一种新型的折叠梁结构，在有限元软件中仿真显示其可抗10 000g过载作用，如图5所示[25]，但并未检索到其高过载的实验结果；美国加州大学伯克利分校提出了一种采用碳化硅材料的线性谐振结构[26]，通过空气炮实验设备对该结构进行了64 000g的冲击过载实验，谐振频率在冲击实验前后并无太大变化，证明了碳化硅材料良好的抗高过载特性，结构如图6所示；美国伍斯特理工学院对音叉式微机械陀螺结构（见图7）进行了高过载测试[27]，结果显示结构能够承受10 000g的加速度冲击，表面形态没有明显损伤，但并未对陀螺测试数据进行报道；美国加州大学尔湾分校提出了多质量块的陀螺结构形式[28-29]，在较小冲击幅值下能保持较好的参数一致性，其结构如图8所示；意大利米兰理工大学提出了一款压阻检测形式的硅基三轴微机械陀螺仪，在3 400g冲击作用下，其标度因数变化了0.8%[30]。

上海微系统所在线振动结构的基础上添加了质量块的静电力限位机构以提高结构的抗冲击特性，通过对裸芯片进行的冲击实验表明，陀螺仪沿X轴的抗冲击性为15 000g，Y轴为14 000g，Z轴为11 000g，陀螺结构如图9所示[31]；东南大学对所研制的双质量陀螺结构进行抗过载分析，其结构如图10所示[32]，可有效抑制500g过载作用，但未报道在高过载环境下的测试。

北京信息科技大学和北京邮电大学提出了一种“三明治”结构形式的无驱动微机械陀螺仪以达到抗高过载特性[33-35]，北京信息科技大学设计的陀螺结构照片如图11所示，该结构形式不需要使结构谐振，而是在角速度输入时被动检测电极的变化；上海交通大学提出了一种双轴的抗高过载压阻形式的陀螺结构（如图12所示）[36]，在仿真过程中陀螺两个轴的标度因数分别为4.53 mV/（（°）·s）和0.93 mV/（（°）·s），由于结构本身是一个整体且无较大幅值的运动，因此其理论上具有较好的抗冲击能力；重庆邮电大学提出了一种谐振梁陀螺[37]，其样机及测试图如图13所示，并对该结构进行了11 000g的冲击测试。

中电26所在应力集中的部位设计圆弧开槽结构如图14所示，用以释放应力。通过综合优化后，石英微机械陀螺的抗高冲击能力可达到10 000g，并保持了较好的性能[38]。航天长征火箭技术有限公司通过在封装结构中增加多级缓冲机构以减缓高g值对传感器的破坏，仿真结果显示该陀螺可以承受3个方向5 000g的加速度冲击[39]。

在基于四波腹振型模态工作原理陀螺高过载测试和仿真方面，英国BAE公司研制了硅微环形陀螺SiVSG，该陀螺利用四波腹振型模态，并采用了电磁驱动检测方式，可承受至少20 000g的炮弹发射过载，但过载前后陀螺仪的零偏稳定性和标度因数稳定性分别从85°/h和0.69‰ 恶化至110°/h和0.91‰（性能退化近30%），如图15所示[1，40]；韩国亚洲大学（Ajou University）提出了一款用于战术级的电容驱动和检测式陀螺结构，如图16所示，该结构采用了圆片级真空封装，在过载峰值为15 900g持续时间1.2 ms的空气炮作用下，其标度因数稳定性和零偏稳定性分别由过载前的0.027‰和0.76°/h变为过载后的0.049‰和0.83°/h，性能有所退化（零偏稳定性性能退化9%，标度因数性能退化80%）[41]。

中科院电子所提出了电磁驱动和检测式陀螺结构，如图17所示，经有限元软件仿真该结构可抗10 000g过载，但并未报道相关的过载试验数据[42-43]。中北大学也提出了一种内部呈“S”形梁支撑形式的环形陀螺结构（见图18），仿真结果显示结构自身可承受1 000g的过载[44-46]；同济大学对环形陀螺进行了抗过载结构优化，在11 000g过载峰值输入的情况下，优化后的环形结构最大应力值为421.8 MPa，小于硅材料的许用应力，证明了环形结构形式具有较好的抗冲击能力[47]；北京理工大学提出的金属锥形陀螺（见图19）在10 000g以上的高过载环境中驱动和检测模态谐振频率变化0.2%，说明该结构具有较好的抗高过载能力[48-50]。

中北大学提出了一种高灵敏度且抗高过载的微机械磁阻陀螺（如图20所示）[51]，采用电磁驱动和磁阻检测的方式，通过仿真证明了该结构驱动方向可承受100 000g过载冲击，检测方向可承受70 000g过载冲击，结构的灵敏度为53 nm/（（°）·s）。

3 总结与展望

从面向制导炮弹的应用背景出发，通过对膛内过载环境的量化分析，提出了弹载惯性制导系统中高过载微机械陀螺高过载能力的需求，并在此基础上，对微机械陀螺仪的失效机制进行了归纳和分析。结合国内外相关机构在抗高过载微机械陀螺方面的研究，总结归纳了不同测控原理、不同工作方式、不同结构形式的微机械陀螺仪的抗冲击能力。但目前并未出现任何在高过载（炮击）环境前后微机械陀螺参数未发生变化的报道，说明抗高过载微机械陀螺仪方面的研究工作还需要进一步深入开展，本文认为提高微机械陀螺仪抗高过载特性可从以下5个方面进行改进。

1）采用其他驱动-检测方式代替梳齿电容方式 梳齿电容在过载时容易发生断裂和结构吸合以致陀螺结构失效，可采用电磁、磁阻效应等检测原理替代梳齿电容检测方式[1，51]。

2）采用四波腹振型模态等工作方式代替线振动工作方式 实验数据表明，四波腹振型模态工作方式在高过载状态下性能退化现象优于线振动工作方式的陀螺结构[1，41，48]，尤其是在其全角工作模式下，通过四波腹相位信息反映输入角度[52]，相位信息对冲击造成的线位移几乎不敏感。

3）采用合理的吸能和释能机构 在现有结构中增加合理的吸能和释能机构以吸收和释放由于高过载产生的应力和能量以保护结构[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过载性能好的材料替代硅材料，达到提升高过载特性的目的[26]。

5）采用多级抗过载防护技术提高陀螺整体抗过载能力 可在MIMU外壳、陀螺外壳、陀螺结构外壳、陀螺结构基底等多个环节进行抗过载处理，分级吸收冲击应力波，最终提高陀螺整机抗过载能力[39，53]。

随着新原理和新材料的不断成熟和应用，高过载环境将不再成为微机械陀螺的禁区，如何能够降低成本和体积、提高产量和标定效率、与MIMU集成将是抗高过载微机械陀螺在下一阶段中亟待解决的问题。

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