先进微陀螺器件及微惯性测量单元最新研究进展

2019-06-25朴继军朱玲瑞袁小平胡少勤

压电与声光 2019年3期

何杰，朴继军，朱玲瑞，袁小平，胡少勤

(1.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060；2.中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆 400060)

0 引言

传统高灵敏度惯性测量技术已进入精度发展极限，三浮陀螺和静电机电高精度陀螺仪近30年不再发展，光学陀螺技术在国外近10年无明显进展。微机电系统(MEMS)陀螺仪虽然具有光明的应用前景，但精度仍未达到期望的要求，在性能上与传统陀螺仪还存在很大的差距，难以满足军事及工业应用对高精度MEMS陀螺的需求。

本文基于近年来美国国防高级研究计划局(DARPA)在微惯性传感器技术领域的资助项目，综合研究了MEMS谐振陀螺、微光学陀螺(MOG)、声表面波陀螺(SAWG)等微惯性传感器技术及微惯性测量单元(MIMU)的最新发展现状，并对其发展面临的技术挑战进行了分析与评述。

1 DARPA重点支持的微陀螺研究项目

MEMS陀螺性能的进一步提升、核磁共振陀螺(NMRG)的发展及基于集成光学技术的MOG等微惯性传感器技术被认为是目前能将MEMS惯性传感器从低/中精度应用领域带入中/高精度的军用和工业应用领域的3种重要的微惯性传感器技术。图1为高性能MEMS惯性传感器在军事和工业领域的应用。

图1 高性能MEMS惯性传感器的四大应用领域

20世纪90年代，美国DARPA启动了一系列微惯性器件技术的研究项目。在其资助下，Draper、Honeywell、诺斯罗普·格鲁曼、BAE 等研制出军用MEMS惯性器件，并在军用产品中实现批量应用。目前，MEMS惯性传感器在常规武器的制导化改造、中近程战术导弹、军用惯性平台、军用航空载具姿态测量等领域获得了广泛应用，是防空导弹、反坦克导弹、便携式导弹、航空制导炸弹、制导弹药等制导武器系统的必然选择，也是惯性制导与导航技术的发展方向。据美国国防部预测，到 2020 年美军 90%的制导武器将采用 MEMS 惯性传感器，如图2所示[1]。

图2 2020年，美军90%的制导武器将采用MEMS惯性传感器

DARPA的NGIMG和MRIG项目都取得了突破性的进展。2014年，波音公司报道了其研制的基于Si的直径8 mm多环谐振盘陀螺(DRG)实现了零偏稳定性基于DRG陀螺的指北仪体积约为163.87 cm3，质量约为0.11 kg[4]，而基于熔融石英材料直径为∅8 mm或更大直径的DRG正在研制中，预期目标是DRG的品质因数(Q)值提高1～2个数量级，ARW提升1个数量级。诺斯罗普·格鲁曼公司研制的核磁共振陀螺[5]实现的零偏稳定性已提高至0.01 (°)/h，ARW为0.005体积为10 cm3，陀螺采用真空封装，已在“猎户星座”和T-6B飞机上进行了独立测试。

2015年，DARPA提出了“稳定型精确惯性制导弹药(PRIGM)”计划[6]，研制具有低CSWaP(成本、尺寸、质量和功耗)特性的“先进微惯性传感器(AIMS)”，满足在高冲击和高振动环境下应用，且具有高动态范围、低噪音、高精度的惯性器件，其详细技术指标如表1、2所示。表中，目标1为高动态环境器件指标，目标2为高精度和高稳定性器件指标，g=9.8 m/s2。

表1 具有低SWaP和环境适应性的DARPA AIMS项目研制指标

表2 DARPA新型微惯性传感器AIMS项目研制指标

PRIGM-AIMS项目重点支持的3种MEMS惯性器件的研制方向为：

1)全对称结构的MEMS谐振陀螺(速率积分陀螺)。

2)片上集成光波导陀螺。

3)SAW陀螺。

PRIGM-AIMS项目计划执行3个阶段共42个月，目前，DARPA的PRIGM-AIMS项目计划仍在执行中。同时，DARPA强调只支持结构上高度对称的二维或三维的MEMS陀螺研制，不再支持音叉型MEMS 陀螺的研制。DARPA关于MEMS惯性器件的研制计划具有重要的参考价值，能够代表MEMS惯性器件的发展方向。

2 微陀螺器件的最新研究进展

2.1 全对称结构的MEMS谐振陀螺

MEMS陀螺仪的结构可分成两类：非简并模态陀螺仪和简并模态陀螺仪。非简并模态陀螺仪一般由一个或多个质量块或大框架组成，弹性梁将质量块支撑和连接起来，并拥有两个方向的自由度。因此，驱动和检测方向上的弹性梁是不同的，如谐振梁式陀螺仪、音叉式陀螺仪等。简并模态陀螺仪的结构一般是轴对称，如微半球谐振陀螺(mHRG)。半球谐振陀螺仪(俄罗斯称为固体波动陀螺[7])的发展经历了金属半球谐振陀螺、石英半球谐振陀螺的研制与升级。在发展过程中有多种结构变化，衍生出微半球谐振陀螺、谐振环陀螺(VRG)和蝶形谐振陀螺(DRG)等多种三维、二维结构。这些结构适合目前的MEMS制造工艺，可实现低成本批量化生产。mHRG采用特有的中心轴对称敏感结构，使其具备全角测量能力，即直接测量输入角度。与传统角速度测量方式相比，角度信息需要通过对角速度信号进行积分求得，mHRG直接测量输入角度，避免了长时间对角速度积分的累计误差以及角度和角速度模式之间的切换，较传统角速度检测模式的MEMS陀螺仪具有更好的性能。中心轴对称敏感结构使mHRG对环境变量(温度、振动等)不敏感，其精度高，动态范围高，抗冲击、抗外界干扰能力强，特别符合智能装备的制导需求，可用于未来多种中高精度装备平台载体，尤其是高动态旋转装备用惯性导航系统。

mHRG研究的难点在于制备出高度对称、表面光滑的半球壳谐振器。目前加工微半球谐振子的工艺主要有薄膜沉积工艺、玻璃吹制工艺和喷灯法。2018年，在DARPA“稳定型精确惯性制导弹药先进微惯性传感器(PRIGM-AIMS)”项目的支持下，密歇根大学无线集成微传感与系统中心的研究人员采用改进的喷灯法工艺制作出了一种新型熔融石英精密壳体集成(PSI)微谐振器原型样机[8]，这种PSI微谐振器具有可控的刚度和质量分布，用于实现的mHRG不仅具有很高的哥氏力敏感性，且还具有高的抗冲击和振动性能。

2.2 诺斯罗普·格鲁曼公司在核磁共振陀螺的物理封装上取得突破

在DARPA的支持下，诺斯罗普·格鲁曼公司从2005年开始研制核磁共振陀螺，2014年，该公司实现了零偏稳定性为0.01 (°)/h的核磁共振陀螺样机[9]。然而，当前核磁共振陀螺仪的物理封装设计包含了许多新的组件和材料，这些组件和材料存在新的问题与挑战，如使用磁屏蔽层内的铁氧体内层只能部分消除陀螺仪中显著的场梯度，仍会有明显的残余场梯度。将氙自旋相干寿命限制在1 s或更短时间内，将显著降低可实现陀螺仪的ARW和零偏稳定性能。诺斯罗普·格鲁曼公司提出了一种新的热消磁法来解决这个问题，他们采用热消磁铁氧体屏蔽层封装的核磁共振陀螺的单元场梯度旋转寿命比采用传统的场消磁铁氧体屏蔽元件的单元场梯度旋转寿命长100～1 000倍[10]。

2.3 MOG

MOG是光学陀螺微型化的一个重要可选方案，其基本原理与光学陀螺相同，但其检测光路用集成光波导代替了光纤。因此，MOG能够采用光电集成技术和半导体工艺把激光器、相位调制器、光电探测器、波导环形谐振腔(WRR)和检测电路等部件集成到一个芯片上，从而实现单片集成并可批量生产，降低成本。能够满足低成本、小尺寸、小质量、低功耗(CSWaP)要求的MOG已被DARPA明确为未来高精度、大动态范围陀螺的重要技术发展方向之一。

2018年，美国加州理工学院托马斯·J·沃森应用物理实验室利用碟形波导研制了谐振型布里渊陀螺原型样机[11]。受激布里渊激光由一个直径36 mm、高Q值硅基二氧化硅碟型波导谐振腔激发，其中谐振腔的自由谱线宽度被严格的设置为布里渊频移的1/3。陀螺利用顺时针2级次布里渊散射光与顺时针3级次布里渊散射光在萨格纳克(Sagnac)效应影响下的区别来检测角速度。测试表明，其零偏稳定性约为3.6 (°)/h，陀螺能够检测的最小转速为22 (°)/h(性能比目前的谐振型微陀螺提高了40倍)，陀螺带宽为1 kHz。该研究得到了DARPA PRIGM-AIMS项目的资金支持。图3为加州理工学院研制的微光学陀螺原型样机。

图3 加州理工学院研制的微光学陀螺原型样机

目前市场上最小的高性能光学陀螺仪比高尔夫球还大，不适合便携式应用。加州理工学院的一个研究团队采用一种称为“相互灵敏度增强”的新技术来改进性能[12]，“相互”意味着对陀螺仪内两束光的影响一样，由于Sagnac效应依赖于检测两束光在相反方向上行进时的差异，因此，它被认为是非互易的。在新陀螺仪内部，光线从微型光学波导(携带光的小导管，功能与电线相同)中通过，光路中可能影响光束的缺陷(如热波动或光散射)和任何外部干扰都将对两束光产生相同的影响。该技术团队找到了一种方法来消除这种“相互”噪声，同时保留Sagnac效应的信号。相互的灵敏度增强改善了系统中的信噪比，并使光学陀螺仪能集成到比一粒米还小的芯片上。与目前最先进的小型化光纤陀螺相比，实现的这种全集成纳米光子光学陀螺原型样机能够检测到小30倍的相位漂移而体积只有其1/500，未来有望在无人机和航天器上获得应用。

2.4 微声陀螺

基于声学原理的微型陀螺传感器是MEMS惯性传感器的一个重要分支，微声陀螺主要包括SAWG和体声波(BAW)陀螺。一般采用SAW或BAW器件作为敏感元件，通过特定的机械结构敏感外界角速度，将外界角速度的变化转换为声波器件的机械应变，进一步转换为声波的谐振频率或相位延迟的变化，通过检测声波的频率或相位的变化来检测角速度的变化。

2018年，卡内基梅隆大学的一个研究团队在Y切铌酸锂(LN)4寸(1 in=2.54 cm)片上制作SAWG，并研究了大小不同的两种谐振腔对SAWG噪声性能的影响[13]。结果表明，采用较大谐振腔的SAWG具有更好的性能，他们宣称，其制作的SAWG原型样机的ARW指标已可与目前战术级MEMS振动陀螺(MVG)不相上下，未来他们将进一步探索采用新材料来提高谐振器的Q值和叉指换能器(IDT)指条的反射性能。

3 微惯性测量单元(MIMU)的最新进展

在实际的军事和商业使用中，单一方向的加速度或角速度检测无法满足各方面的需求，为获得物体运动的完整信息，需要同时检测3个正交方向的加速度和角速度信号，故而需要将多个微惯性器件通过一定的组合方式组成MIMU，实现对六自由度惯性参数检测的功能。MIMU是集微加速度计、微陀螺仪、专用集成电路、嵌入式计算机于一体的微惯性测量组件，其具有功耗低，体积小，功能全的特点。MIMU具有明显的军民两用特点。在民用方面，MIMU不仅能够应用于航空和车辆自动驾驶，并在自动控制、机器人及工业自动化等方面也具有非常大的发展潜力；在军事应用方面，MIMU在常规兵器中有广阔的发展前景。目前，国外从事MIMU研制和生产的主要机构有美国霍尼韦尔公司、ADI公司、挪威SENSONOR公司及英国BAE公司等。

2016年，ADI公司推出的一款最新微惯性测量单元-ADIS16490的零偏稳定性达到1.8 (°)/h，加速度计的零偏稳定性达到3.6 μg，在目前同类解决方案中体积最小，功耗最低，可应用于战术级导航、无人驾驶汽车领域。挪威SENSONOR公司开发的STIM系列MIMU已经具备优异的性能和很强的环境适应性，可以应用于多军事领域，其最新产品STIM300 MIMU的陀螺零偏达到 0.5 (°)/h，其性能足以代替光纤惯导。图4为ADI公司和SENSONOR公司的MIMU实物照片。

图4 ADI公司和SENSONOR公司的MIMU实物

英国BAE公司的MIMU已实现系列化，最小体积仅25.4 mm3，可以植入到士兵的战靴中，实现单兵全时导航。BAE公司的MIMU在高速旋转弹、中程导弹和美国155 mm制导神箭炮弹(Excalibur)等武器系统中得到了应用。

目前，MIMU技术仍是学术界和工业界研究的热点。美国DARPA微系统技术办公室自2015年5月就开始征集“精确制导弹药导航级惯性测量单元”(PRIGM:NGIMU)项目提案，PRIGM:NGIMU项目的目标是“研发一种基于MEMS的导航级惯性测量单元(IMU)，具有机械/电结构，能够插拔替代现有老旧国防平台中的战术级IMU；PRIGM:AIMS将探索替代技术和商品来实现惯性感知，包括光电和MEMS-光电集成以及全新架构和材料系统”；最终，PRIGM:NGIMU希望“为未来研发高性能惯性传感器发现具备前景的候选技术，满足长航时任务和在极端环境中的部署”[6]。2016年3月，DARPA选定诺斯罗普·格鲁曼公司开发基于MEMS的新一代IMU，要求诺斯罗普·格鲁曼公司通过集成先进的MEMS惯性传感器，开发低成本、小尺寸、低功耗的小型化导航级IMU来替代现有的IMU，提供更精确的导航数据。在这份总价值为627万美元的成本加固定费用价格(CPFF)基本合同中，要求诺斯罗普·格鲁曼公司验证其MEMS陀螺仪和加速计满足规定性能及环境要求，同时还追加了530万美元的MIMU研制合同，指定评估LR-500是否满足尺寸、质量、功率及性能参数要求，随后在国防部仿真环境中进行IMU原型系统测试。2016年10月，DARPA与霍尼韦尔公司签订了开发下一代精确惯性技术的合同，开发可用于GPS拒止和高对抗环境的、比现有HG1930 IMU高3个数量级的IMU。通过与DARPA的合作，霍尼韦尔公司将在惯性传感器的设计与制作中进一步实现陀螺仪和加速度计的小型化，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确导航解决方案。

3.1 诺斯罗普·格鲁曼公司开发基于mHRG的惯性传感器组件(ISA)

2012年，诺斯罗普·格鲁曼公司完成了第二代微半球谐振陀螺(Gen-2 mHRG)的研制与测试[15]。随后，基于其研制的第二代mHRG，诺斯罗普·格鲁曼公司开发出了第一款ISA演示验证单元(ISA DU)，并在2018年报道了其研制成果。该ISA由4个Gen-2 mHRG、四通道诺斯罗普·格鲁曼公司的哥氏振动陀螺(CVG)控制/数据采集电路、任务计算机和3个SiAcTM MEMS加速度计构成。图5为诺斯罗普·格鲁曼公司的ISA实物照片。下一步他们将继续对目前的ISA加以优化，从而研制出一种可商业化生产的具有完全实时自校准功能的mHRG ISA。

图5 诺斯罗普·格鲁曼公司研制的基于mHRG的MIMU演示验证样机

3.2 亚诺德半导体公司(ADI)开发出可用于自动驾驶汽车导航的无加速度计MIMU

美国亚诺德半导体公司基于战术级MEMS 陀螺仪(零偏稳定性为1 (°)/s)开发了一款六自由度(DOF)的MIMU[16]，用于自动驾驶汽车的导航。这款MIMU用速度计代替了传统MIMU中的加速度计，从而在组件实现过程中省去了集成步骤。试验表明，使用MIMU进行陆地车辆导航可达到类似于民用GPS的精度，当汽车以40 km/h的速度匀速行驶时，10 min内的位置误差为30 m。

4 分析与评述

以mHRG为代表的全对称结构MEMS谐振陀螺具有无机械带宽限制、无集成误差、结构(蝶形或壳体)抗冲击和振动性能优良、环境稳定性好等优势，但全对称结构MEMS谐振陀螺的研制也存在高对称性结构加工难，周向敏感导致信噪比(SNR)低等技术挑战。随着mHRG技术的逐步成熟，mHRG将更多地进入陆地和航海导航应用领域，基于mHRG的小型化精密瞄准和指向系统(PPTS)未来在GPS拒止、高动态环境下的精密导航与制导领域将获得广泛应用。

MOG具有无运动部件、高集成度可降低CSWaP、环境敏感性比传统光学陀螺低等优势，是高精度陀螺实现微小型化和集成化的重要途径，在微纳卫星姿态控制、微小型无人机等领域有着广泛的应用前景。MOG目前还处在原理验证和原型样机研究阶段，在低损耗波导、多波导垂直集成、高SNR的实现以及光子集成等方面还面临严重的技术挑战，其核心敏感器件波导环形谐振腔(WRR)是目前的研究重点。

在传统SAWG结构中，由旋转引起的SAW参数变化极小，SAWG信号过于微弱，当时的技术难以检测出SAWG效应信号，因此，自20世纪70年代以来，SAWG技术的发展较慢。近年来，在DARPA PRIGM-AIMS项目的支持下，SAWG的研究重新获得人们的关注。微声陀螺具有无运动部件、环境鲁棒性高、抗高过载、采用光学读出可提高陀螺灵敏度等优势，但热稳定性、SAWG信号的检测是研制微声陀螺面临的技术挑战。

核磁共振陀螺仪具有高精度、小体积等特点，是成熟度较高的原子陀螺仪。在突破了微型高性能原子气室制备、微型磁屏蔽制备及物理封装等技术障碍后，目前正在向体积芯片化和精度导航级发展，再经过几年的发展，有望以捷联的方式应用于战术武器装备。