李紅光

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

現(xiàn)代軍用MEMS慣性傳感器技術(shù)進展

李紅光

(中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

現(xiàn)代化軍事需求小型慣性傳感器。技術(shù)已成熟的慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)包括機械陀螺、環(huán)形激光陀螺(RLGs)、光纖陀螺(FOGs)以及半球共振陀螺(HRGs)?，F(xiàn)在主要用于軍事的還有微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀和加速計。采用光子晶體光纖(PCFs)的干涉光纖陀螺(IFOGs)，即PC—IFOGs。重點闡述MEMS/集成光(IO)波導(dǎo)慣性傳感器技術(shù)進展。分析小型陀螺儀和加速計技術(shù)發(fā)展前景及在未來快速反應(yīng)，精確打擊中的作用。

微電子機械系統(tǒng)； 慣性傳感器； MEMS陀螺； MEMS加速計； MEMS慣性測量儀； 小型慣性測量儀； 集成光波導(dǎo)陀螺

0 引 言

導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制技術(shù)歷經(jīng)100多年的發(fā)展，最初是用機械陀螺導(dǎo)航，現(xiàn)代慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)傳感器技術(shù)涉及諸多學(xué)科，包括機械工程、電子學(xué)、光電子學(xué)、量子電子學(xué)、光子學(xué)和原子物理學(xué)等學(xué)科。縱觀導(dǎo)航和制導(dǎo)傳感器技術(shù)發(fā)展歷程，每個階段發(fā)展都有新興科學(xué)技術(shù)作先行者。1960年世界第一臺激光器問世。1963年，環(huán)形激光陀螺(RLGs)首次通過實驗驗證，1975年用于導(dǎo)航。1985年，光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展，借助光纖通信技術(shù)基礎(chǔ)，光纖陀螺(FOGs)用于導(dǎo)航。為了使FOGs小型化，仍然借助光纖通信工業(yè)中研制的光子晶體光纖(PCFs)的干涉光纖陀螺(IFOGs)研制成PC-IFOGs和集成光波導(dǎo)陀螺(IOGs)。

20世紀(jì)80年代，工業(yè)界首創(chuàng)用已有大規(guī)模集成電路制造技術(shù)制造微電子機械系統(tǒng)(MEMS)。1999年，美國陸軍航空和導(dǎo)彈指揮部(AMCOM)導(dǎo)彈研究開發(fā)工程中心(MRDEC)確認(rèn)MEMS對滿足未來軍事任務(wù)要求有很高的應(yīng)用價值。MEMS技術(shù)在滿足導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)性能要求的條件下，追求減少導(dǎo)彈系統(tǒng)尺寸、重量和成本[1]。

實際上，現(xiàn)有慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)達(dá)到任務(wù)要求精度的上限。各種輔助和加強傳感器已經(jīng)組合到慣性系統(tǒng)，如全球定位系統(tǒng)(GPS)、速度計、導(dǎo)彈尋的器、 星跟蹤器、激光雷達(dá)等。GPS可用于輔助較低性能傳感器導(dǎo)航。GPS不是在任何條件下都能使用，如果存在干擾，在市區(qū)、室內(nèi)或隧道和山洞以及衛(wèi)星丟失情況下失靈，必須有其他導(dǎo)航傳感器很快完成導(dǎo)航。本文對已成熟的導(dǎo)航和制導(dǎo)技術(shù)不加贅述。

本文重點闡述MEMS/微光機電系統(tǒng)(MOEMS)慣性傳感器技術(shù)的進展。MEMS已廣泛用于GPS，由PC-IFOGs發(fā)展成的IOGs 是MOEMS芯片式系統(tǒng),它將借用通信技術(shù)制造高精度、尺寸小、成本低的慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)傳感器，滿足未來軍備的需要。

1 MEMS慣性傳感器技術(shù)的進展[2～4]

根據(jù)不同任務(wù)要求選擇慣性傳感器的性能等級，戰(zhàn)術(shù)、導(dǎo)航和戰(zhàn)略用陀螺和加速計性能分別為：1°/h和1 mgn,0.01°/h和25 μgn,0.001°/h和1 μgn。

在過去幾年，MEMS廣泛用于GPS。美國的Honeywell,Atlantic Inertial Systems以及Northrop Gumman/LITEF公司生產(chǎn)接近戰(zhàn)術(shù)級的全MEMS慣性測量單元(IMUs)。當(dāng)軍用戰(zhàn)術(shù)級全MEMS IMUs 技術(shù)成熟時，戰(zhàn)術(shù)級RLGs和IFOGs系統(tǒng)將被全MEMS IMUs替代。

1.1 MEMS加速計

MEMS加速計用2種方法探測加速度：其一，在加速條件下，擺動或撓曲式支撐的檢測質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，用電容變化或壓電量變化讀出其位移；其二，用檢測質(zhì)量塊負(fù)載變化引起拉力變化使振動元件頻率變化，前者稱擺式或位移加速計，后者稱共振加速計或振動梁加速計(VBAs)。擺式加速計可滿足戰(zhàn)術(shù)級到飛行器導(dǎo)航級多種應(yīng)用要求；共振加速計可以達(dá)到更高性能級應(yīng)用的要求。

1.1.1 MEMS位移加速器

MEMSZ軸位移加速計：Z軸在垂直儀器平面加速旋轉(zhuǎn)時，橫跨玻璃基片的轉(zhuǎn)矩彈簧撓曲支撐擺動懸掛的檢測質(zhì)量塊。用絕緣片上的電極通過電容間隙變化探測運動。在1gn加速度時，檢測質(zhì)量塊角度變化典型值為70 μrad，敏感間隙變化3×10-5mm，電容量變化峰值為12fF(10-15)。在15gn～100 μgn的動態(tài)范圍，必須分辨3×10-9mm運動。

美國Northrop Grumman公司已經(jīng)研制2種軍用戰(zhàn)術(shù)級和導(dǎo)航級MEMS加速計，廣泛用于美國第四代空對空中程導(dǎo)彈(AMRAAM)、制導(dǎo)火箭彈(GMLRS)、偵察/攻擊直升機。

MEMS橫向位移加速計是指測量與Z軸垂直平面上二維方向加速度使檢測質(zhì)量塊產(chǎn)生的位移。通過橫跨“梳指”式結(jié)構(gòu)電容量的變化測量檢測質(zhì)量塊的位移。Z軸和橫向加速計組成三軸(x,y,z)加速計是最佳的加速計系統(tǒng),用3個平面芯片可實現(xiàn)三軸加速度測量。

據(jù)Colibrys公司報道生產(chǎn)的RS9000系列加速計是全硅三維結(jié)構(gòu)高精度加速計，在運行中零偏穩(wěn)定性為120 μgn，啟動后的重復(fù)性為1 mgn，標(biāo)度因數(shù)精度為400 pmm(10-6)[5]。

1.1.2 MEMS共振加速計

普通的共振梁加速計可以是Z軸或橫向加速計。這種加速計是通過測量慣性質(zhì)量塊負(fù)載的條件下，梁式振蕩器共振頻率的變化,用電容或壓電方法測量共振頻率變化。

Draper Lab研制的硅振蕩加速計(SOA)和Honeywell公司的戰(zhàn)略共振梁加速計(SRBA)。前者性能為1 μgn，標(biāo)度因數(shù)精度為10-6[8],這種共振加速計可用于導(dǎo)彈制導(dǎo)和艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[9]。

1.2 MEMS陀螺儀

MEMS慣性系統(tǒng)達(dá)到的陀螺性能比實現(xiàn)加速計性能更難?？评飱W利(Coriolis)力是所有振動陀螺儀的理論基礎(chǔ)。MEMS Coriolis振動陀螺主要有如下3種：

MEMS振動梁(音叉式)陀螺：1990年，美國Systron Donner 公司開始生產(chǎn)用于空軍迷路(Maverick)導(dǎo)彈的音叉式陀螺，2年生產(chǎn)18 000只石英陀螺，現(xiàn)在已經(jīng)開始研究小型高gn、高精度軍用慣性測量儀。

MEMS振動平板陀螺儀：Draper Lab研制的平板式陀螺儀(TFG—2)見圖1。2個硅檢測質(zhì)量板通過折疊梁懸掛在玻玻基板上，這種雙端平板式陀螺尺寸為300 μm×400 μm。用Coriolis力產(chǎn)生垂直平面敏感運動,通過質(zhì)量板和基片之間的電容變化探測垂直平面的敏感運動。TFG現(xiàn)在已達(dá)到3°/h～50°/h性能,工作溫度范圍在-40～85 ℃，輸入沖擊12 000gn，可以工作數(shù)月。這項研究結(jié)果已通過軍方有關(guān)部門驗證[10]。Honeywell 公司生產(chǎn)的高gn產(chǎn)品HGI900系列慣性測量儀采用了振動平板技術(shù)。

圖1 MEMS振動平板陀螺儀(TFG—2)俯視圖Fig 1 Top view of MEMS vibrating plate gyroscope (TFG—2)

美國加州理工學(xué)院噴氣推進實驗室(JPL)研制的2-DOF四葉草形狀MEMS共振陀螺[11]。已研制裝載萬向架結(jié)構(gòu)上的MEMS陀螺,用電磁方法驅(qū)動和探測[12]。

MEMS共振環(huán)形陀螺：MEMS共振環(huán)形陀螺結(jié)構(gòu)有2個優(yōu)點:其一，驅(qū)動和敏感振動能量都在一個平面上，其二，環(huán)形結(jié)構(gòu)有一個低振動質(zhì)量塊;缺點是標(biāo)度因數(shù)較低。

BAE Systems公司研制的硅振動結(jié)構(gòu)陀螺(SiVSG)，2000年已成功用于中程Tri-Nation制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈以及其他軍用系統(tǒng)。

2 IOGs

IOGs技術(shù)是以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，借用全光通信技術(shù)的發(fā)展，在一個芯片上集成很多具有復(fù)雜功能的微光電機械組件，諸如:激光器、放大器、信號復(fù)用器/信號分離器、濾波器、光柵、調(diào)制器和開關(guān)等微光電機械組件。芯片的基片是晶體、玻璃、聚合物或半導(dǎo)體。實際上，IOGs是MOEMS芯片陀螺[13～18]。

在過去的幾十年里，一直致力于研究、設(shè)計制造復(fù)雜的光子集成線路(photonic integrated circuits,PICs)，把若干個微光學(xué)組件集成在一個芯片上，如，在InP基片上的PICs包含50個微光電機械組件，以得到驗證[19]。

在主動IOGs陀螺中，環(huán)形激光器內(nèi)受激產(chǎn)生2個共振模式。用干涉技術(shù)測量由于旋轉(zhuǎn)引起的頻率偏移。

被動IOGs角速度傳感器可以是相位或頻率靈敏的陀螺。在相位靈敏的陀螺中，測量由于旋轉(zhuǎn)引起環(huán)形干涉儀中方向相反的2束光相位偏移。在頻率靈敏感的陀螺中，測量與順時和逆時針傳播2束光相關(guān)的光學(xué)腔的2個共振頻率。已制造了主動和被動的IOGs，大部分被動IOGs是測頻率的?，F(xiàn)在也制造相位靈敏的IOG——采用的材料有InP,GaAs,SiO2,LiNbO3。未來研究的方向是測量角速度的PICs[20,21]。

3 非常規(guī)MEMS陀螺儀的研究

2009年，DARPA開創(chuàng)另一個計劃，研制微型速度集成陀螺(MRIG)，這種陀螺儀是直接提供速度信息而不提供角度信息，這樣可克服現(xiàn)有MEMS陀螺限制。此計劃要求用創(chuàng)新的方法。

冷原子傳感器一個有潛力有前途的原子干涉慣性傳感器正處于早期研究階段。原子具有波動性，原子干涉儀可使陀螺儀、加速計、重力計和時鐘達(dá)到最高精度。

2007年,Stanford University已驗證差分加速計分辨率為10-11gn,可用于未來潛艇平臺導(dǎo)航[22,23]。原子干涉慣性傳感器可以用微細(xì)加工方法制造磁—光原子捕集器。此外，還開展懸浮自旋質(zhì)量、微核磁共振和圓盤共振器3個方向研究。

4 未來展望

在未來10年,MEMS慣性傳感器性能仍有大于1個數(shù)量級提高的空間,這取決于尺寸減少的有效性，微細(xì)加工的精度、芯片包裝是組件關(guān)鍵問題。促進微型高性能慣性傳感器快速發(fā)展是一個系統(tǒng)工程問題，必須建立研究者，設(shè)計者和MEMS/電子系統(tǒng)供應(yīng)商之間戰(zhàn)略聯(lián)盟?，F(xiàn)有光學(xué)慣性測量儀器的性能和成本見圖2。

圖2 捷聯(lián)式(無萬向架)光學(xué)慣性測量儀成本與性能之間的關(guān)系Fig 2 Relationship between cost and characteristics of strapdown (no gimbaled) optical inertical measuring instrument

加速計未來可能用于新的軍事計劃。到2020年，MEMS/MOEMS可能在軍事上有許多新的應(yīng)用，要進一步提高性能，設(shè)計者開始研究幾何形狀、尺寸、電子系統(tǒng)、包裝對性能和可靠性的影響。MOEMS技術(shù)可實現(xiàn)MEMS陀螺儀采用光學(xué)讀出系統(tǒng)，這種技術(shù)將先出現(xiàn)在光通信工業(yè)，更小型、高精度MOEMS陀螺儀將借用此技術(shù)而發(fā)展。在戰(zhàn)略導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域里IFOGs占主導(dǎo)地位，現(xiàn)在正在研究硬輻射和超高性能IFOGs。

未來導(dǎo)彈系統(tǒng)有3種：其一，飛機、艦船和潛艇載超音速遠(yuǎn)距離精確打擊導(dǎo)彈；其二,無定向巡航無人機攜帶超音速導(dǎo)彈；其三，無人機攜帶巡航導(dǎo)彈。這3種情況都要求系統(tǒng)重量輕，高精度制導(dǎo)，快速反應(yīng)，近于實時打擊。由于發(fā)射導(dǎo)彈量大，要求每次發(fā)射有最低成本。

這種精確打擊的合作能力近于實時打擊目標(biāo)，要通過戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星或無人機上的傳感器獲得信息，所以,INS/GPS是先進的指令、控制、通信、計算機、智能、監(jiān)視、偵查(C4ISR)網(wǎng)絡(luò)研究項目中關(guān)鍵技術(shù)。C4ISR網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)打擊目標(biāo)精度為1 m[24]。

5 結(jié)束語

綜上所述，在過去30年，現(xiàn)代化軍事裝備需要性能高、尺寸小、成本低的導(dǎo)航和制導(dǎo)傳感器。MEMS/MOEMS組成的慣性傳感器，性能好于戰(zhàn)術(shù)級，尺寸小，成本低，廣泛用于GPS。

根據(jù) PC-IFOGs原理和光通信波導(dǎo)概念研制芯片式集成光波導(dǎo)陀螺(IOGs),在一芯片上集成各種功能的微光電機械組件，可進一步減少尺寸，降低成本，提高可靠性。估計在未來10年，MEMS/MOEMS慣性傳感器性能可能提高1個數(shù)量級以上。

[1] Tracy D Hudson,Deanna K.MEMS component research and development for army missile application[C]∥Proc of SPIE 1999.

[2] Neil M Barbour.Inertial navigaticm sensors [DB/OL].[2011—12—28].http:∥ftp.rta.nato.int/public/PubFullText/RTO/EN%5CRTO—EN—SET—116—2011/EN—SET—116—(2011)—02.pdf.

[3] Georger T Schmidt.TNS/GPS technology trends [DB/OL].[2011—12—28].http:∥pskla.kpi.ua/lib/2011/NATO/ EN—SET—116—(2011)—01.pdf.

[4] Edu I R,Obreja R,Grigorie T L.Current technologies and deve-lopment of gyros used in navigation application—A review[DB/OL][2011—07—14].http:∥www.wseas.us/e-library/confe-rences/2011/Corfu/CITCOM—09.pdf.

[5] Stauffer J M .RS9000 a novel MEMS accelerometer family for Mi/aerospace and safety critical applications[C]∥IEEE/ION PANS,Indlian Wells,CA,2010.

[6] Liu C,Kenny T.A high-precision-wide-bandwidth micromachined tunneling accelerometer [J].IEEE Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2001,10(3):425-433.

[7] Dong H F.A novel out-of-plane MEMS tunneling accelerometer with excellent low frequency resolution [C]∥1st IEEE International Conferrence on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems,Zhuhai,China,2006.

[8] Hopkins R.The silicon oscillating accelerometer: A high perfor-mance MEMS accelerometer for precision navigation and strategic guidance application[C]∥ION 6lst Annual Meeting,Cambridge,MA,US,2005.

[9] Becka S. A high reliability solid state accelerometer for ballistic missile inertial guidance [C]∥AIAA GN/C，Honolulu,HI,2008.

[10] Barbour N .Evolution of low cost MEMS inertial systems [C]∥NATO SET Symposium on Emerging Military Capabilities Enabled by Advances in Navigation Sensors,Istanbul， Tukey,2002.

[11] Sam Y Bae,K J Hayworth,K Yee,et al.High performance MEMS micro-gyrocope [C]∥Proc of SPIE,2002.

[12] Stephen Marz.Scanning for ideas-gimbal-mounted sensor sensitive with Ross-Hime designs’super seeker [EB/OL].[2010—09—10].http:∥machinedesign.com/news/scanning-ideas-gimbal-mounted-sensors-more-sensitive-ross-hime-design-super-seeker.

[13] Chunduru V,Varalakshm R,DhanunJay,et al.Integrated optical chip in fiber-optic gyros [C]∥Proc of SPIE,San Francisco,CA,USA,2010.

[14] Lei M,Feng L S,Zhi Y Z,et al.Effect of intensity variation of laser in resonator integrated optical gyro [J].Applied Optics,2013,52(2):4576-4581.

[15] Multi-function integrated optical chip(MIOC)[EB/OL].[2012—08—18].http:∥www.equipmentsinfo.com/.

[16] Wang J L,Wang W,Xu Y X.Modeling and design of a novel resonance integrated optical gyro using single polarization wave-guide[C]∥Gyro Technology Symposium,Karlsruhe,2007.

[17] Feng L,Lei M，Liu H,et al .Suppression of Backflection noise in a resonater integrated optical gyro by hybrid phase modulation technology[J].Appl Opt,2013，52(8):1668-1675.

[18] Zimmermann L.Optical gyroscope-on-chip for space applications[EB/OL].[2013—03—21].http:∥www.ihp-microelectronic.com/.

[19] Chang T,Moyer H P,Kubena R L,et al.Dynamics-enabled quartz reference oscillators[C]∥Proc of SPIE,2012.

[20] Vatalia M,Litchinitser A,Pandey T,et al.Optical sensors：From micro to nano and beyond.SPIEN ewsroom[EB/OL].2012—03—07[2013—10—23].http:∥spie.org/x86464.xm./#02.

[21] Passan V M N,Tullio C D,Troia B,et al.Recent adevances in integrated photonic sensors[J].Sensor,2012,12(11):15558-15598.

[22] Gustavson T,Bouyer P，Kasserich M A.A dual atomic beam ma-tter-wawe gyroscope [C]∥ Proc of SPIE,1998:62-68.

[23] Rice H,Benischek V.Submarine navigation application of atom interferometry[DB/OL].[2008—05—08].http:∥ieeexplore.

[24] Eugene L Fleemam.Technology for future precision strike missile system-introduction/overview[EB/OL].[2000—04—06].http:∥ftp.rta.nato.int/public/PubFulltext/RTO/EN/—013∥EN—013—$I.pdf.

Progress on technologies of MEMS inertial sensors for modern military

LI Hong-guang

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)

Miniature inertial sensors are required in modern military.Mature technologies inertial navigation system includes mechanic gyros,ring laser gyros (RLGs),fiber-optic gyros (FOGs) and hemispherical resonant gyros (HRGs) .Now some MEMS gyros and accelerometers have been used for military.Interference fiber-optic gyros(IFOGs) using photonic crystal(PC) ( PC—IFOGs) is researched.Technical progress of MEMS/ integrated optical (IO) waveguide inertial sensors are described emphatically.Prospect of miniature gyros and accelerometers technologies and functions in precise strike for military in the future are analyzed.

micro-electro-mechanical system (MEMS); inertial sensor; MEMS gyro; MEMS accelerometer; MEMS inertial measurement units(MEMS IMU); miniature IMU；IO waveguide gyro

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0004—04

2014—01—22

TH 745； TN 256； TN 252； TN 253

A

1000—9787(2014)08—0004—04

李紅光(1968-)，男，黑龍江佳木斯人，高級工程師，主要從事靶場測控儀器研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計。