薛晨陽，錢 坤，劉 俊，唐 軍，石云波，李 杰

(1. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原，030051)(2. 中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原，030051)

?

?專家論壇?

極端環(huán)境下的慣性測量傳感器件與系統(tǒng)*

薛晨陽1，2，錢 坤1，2，劉 俊1，2，唐 軍1，2，石云波1，2，李 杰1，2

(1. 中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原，030051)(2. 中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原，030051)

面向慣性傳感與測量系統(tǒng)在超高過載、超高轉(zhuǎn)速等極端應(yīng)用環(huán)境下，介紹了幾種典型的瞬態(tài)高量程與大動(dòng)態(tài)范圍條件下的慣性傳感與測量系統(tǒng)技術(shù)。重點(diǎn)分析和討論了極端環(huán)境下的超量程與大動(dòng)態(tài)測試所需的特種傳感方法與微納集成制造技術(shù)，結(jié)合特殊的封裝防護(hù)與系統(tǒng)集成方法,實(shí)現(xiàn)外部惡劣環(huán)境影響因子的衰減，以及新型的高過載、高旋運(yùn)動(dòng)載體慣性參數(shù)的傳感與測量。

高旋； 高過載； 傳感技術(shù)； 測試系統(tǒng)

引 言

慣性傳感器件主要用來測量物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)——加速度與旋轉(zhuǎn)角速度，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、衛(wèi)星導(dǎo)航、軍事及民用領(lǐng)域，高精度慣性器件的發(fā)展對(duì)國家的工業(yè)和國防具有重要的戰(zhàn)略意義。微型化、低成本慣性器件越來越多被用于智能手機(jī)、汽車導(dǎo)航以及模擬3D環(huán)境等民用領(lǐng)域，正在潛移默化地改變著人類的生活。然而，在一些特殊的應(yīng)用場合，飛行載體在大氣層再入、潛射出水、星箭分離、侵徹及爆炸等動(dòng)態(tài)過程中[1-5]伴隨的高溫、高壓、高沖擊、高轉(zhuǎn)速及復(fù)雜電磁環(huán)境等極端條件對(duì)物體的姿態(tài)測量帶來了極大的挑戰(zhàn)。其動(dòng)態(tài)信息獲取技術(shù)和方法方面的需求主要體現(xiàn)在：a. 新型的傳感機(jī)理，面向超高量程、復(fù)雜噪聲背景下的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍以及跨量程測量等成為目前測試技術(shù)的新研究課題，特殊的測量條件決定了其特色敏感機(jī)理的需求；b. 新型的測試系統(tǒng)，非常規(guī)、極限測試和惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，尤其是日益向微型化、智能化方向的發(fā)展，基于微納制造技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，簡稱MEMS)傳感器件及其集成測量系統(tǒng)的需求是現(xiàn)在制約發(fā)展和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ年P(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)。

1 高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境空間參數(shù)測試與儀器

高速旋轉(zhuǎn)彈藥飛行姿態(tài)等關(guān)鍵彈道參數(shù)的測試，是旋轉(zhuǎn)彈藥制導(dǎo)化研制和定型的關(guān)鍵技術(shù)。它不僅可以為評(píng)定旋轉(zhuǎn)彈藥的準(zhǔn)確度、機(jī)動(dòng)性和抗干擾能力等主要性能指標(biāo)提供決策依據(jù)，而且也是進(jìn)行故障分析與診斷的可靠資料。更為重要的是，所測得的姿態(tài)參數(shù)還能被用于旋轉(zhuǎn)彈藥的彈道修正與控制系統(tǒng)，從而極大地提高彈藥的打擊精度，對(duì)增強(qiáng)彈藥的打擊效果和常規(guī)彈藥制導(dǎo)化具有重要的實(shí)際意義。但是，常規(guī)彈藥在發(fā)射、飛行過程中處于高旋轉(zhuǎn)、高過載和高動(dòng)態(tài)的惡劣運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，所以精確測量其飛行姿態(tài)成為一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

普通小型導(dǎo)彈如反坦克導(dǎo)彈為了保持飛行穩(wěn)定，便于控制和提高命中精度，它們的轉(zhuǎn)速較高，一般在每秒幾轉(zhuǎn)到幾十轉(zhuǎn)；而低轉(zhuǎn)速導(dǎo)彈如滾轉(zhuǎn)彈道導(dǎo)彈，為了防止激光武器定點(diǎn)照射攻擊，所以轉(zhuǎn)速較低，通常在每秒1轉(zhuǎn)以上。傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺無法滿足旋轉(zhuǎn)彈藥對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍的要求，因此，如何研制高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的微型化陀螺儀是目前常規(guī)武器制導(dǎo)技術(shù)需突破的一個(gè)關(guān)鍵。另外，由于彈體在高速旋轉(zhuǎn)過程中的軸向與徑向轉(zhuǎn)速差異過大，姿態(tài)解算精度無法滿足姿態(tài)測量與制導(dǎo)的需求，新型的高旋載體姿態(tài)測量系統(tǒng)、姿態(tài)解算算法與系統(tǒng)的封裝防護(hù)也是一大技術(shù)難題。

1.1 高精度和大動(dòng)態(tài)范圍姿態(tài)傳感技術(shù)

對(duì)高速旋轉(zhuǎn)、高過載和高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)環(huán)境中飛行體的姿態(tài)傳感測量，國內(nèi)外提出了多種方法。彈藥初速度的測量主要有雷達(dá)測速法與區(qū)截裝置測試法,如線圈靶、天幕靶和聲靶[6]等一些專門用于炮口初速測量的儀器。俄國的UAABS系統(tǒng)利用雷達(dá)測速原理，能夠精確測量武器彈藥炮口速度，其技術(shù)先進(jìn)。Eickerman[7]提出運(yùn)用多普勒雷達(dá)測量彈丸的初速，并算出引信的作用時(shí)間，采用編碼的方式通過遙控對(duì)引信進(jìn)行裝定。 Nahrwold[8]提出在炮口附近相距一定距離處放置2個(gè)永磁鐵來產(chǎn)生磁場，彈體內(nèi)安裝一個(gè)磁傳感器，從而測出彈丸的初速。

在高旋載體旋轉(zhuǎn)角速度的測量方面，MEMS陀螺儀具有微型化和集成抗高過載的特點(diǎn)。MEMS傳感器在同一個(gè)芯片上進(jìn)行信號(hào)傳輸前可放大信號(hào)，以提高信號(hào)水平，減小干擾和傳輸噪聲。特別是在同一芯片上進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，更能改善信噪比。MEMS陀螺儀的工作原理與傳統(tǒng)的陀螺儀工作原理不同，傳統(tǒng)陀螺儀的理論依據(jù)是角動(dòng)量守恒原理。MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的電容板，徑向電容板迫使物體做徑向運(yùn)動(dòng)，橫向電容板測量電容的變化，就能得到科里奧式力。因?yàn)榭评飱W式力正比于角速度，可以用所測的科里奧式力來測量角速度。核心部件可以通過摻雜技術(shù)、腐蝕技術(shù)、光刻、電鑄和注塑(lithographie, galvanoformung, abformung，簡稱LIGA)技術(shù)以及封裝技術(shù)等批量生產(chǎn)。挪威Sensonor公司生產(chǎn)的單軸MEMS陀螺SAR100和SAR150，這兩個(gè)陀螺量程都可以達(dá)到300(°)/s，靈敏度為0.25(°)/s/LSB，選用無引線芯片載體(leadless chip carrier，簡稱LCC)封裝，抗過載能力可達(dá)5 kg[9]。雖然MEMS陀螺具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在系統(tǒng)精度上主要針對(duì)于民用領(lǐng)域的中低精度。

文獻(xiàn)[10]提出了光的Sagnac效應(yīng)，證明了在一個(gè)任意幾何形狀的閉合光學(xué)換路中，從任意一點(diǎn)出發(fā)、沿相反方向傳播的兩束光波，繞行一周返回該點(diǎn)時(shí)，如果閉合光路繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，則兩束光波的光程差與系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)角速度成正比。它構(gòu)成了現(xiàn)代光學(xué)陀螺儀的理論基礎(chǔ)。Sagnac效應(yīng)是光在旋轉(zhuǎn)系中傳播產(chǎn)生的現(xiàn)象，這種旋轉(zhuǎn)系為非慣性系，嚴(yán)格意義上必須采用廣義相對(duì)論來進(jìn)行推導(dǎo)?？梢约俣ü庠谛D(zhuǎn)系中的切向速度能夠超過光速，從而根據(jù)經(jīng)典力學(xué)中的速度合成公式推導(dǎo)出Sagnac效應(yīng)的基本公式，這與采用廣義相對(duì)論的計(jì)算結(jié)果是一致的(1階近似)[11]。如圖1所示，在一個(gè)環(huán)形光路中，兩束傳播方向相反的光繞行1周所經(jīng)過的光程在系統(tǒng)靜止時(shí)相等，而當(dāng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，推導(dǎo)出兩路光的光程差為

(1)

其中：A為閉合光路的面積。

圖1 Sagnac效應(yīng)示意圖

現(xiàn)代光學(xué)陀螺——激光陀螺和光纖陀螺都是以Sagnac效應(yīng)為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺相比具有無運(yùn)動(dòng)部件和磨損部件、全固態(tài)，抗過載能力強(qiáng)、啟動(dòng)時(shí)間快、動(dòng)態(tài)范圍寬及抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)；但光學(xué)陀螺在單芯片集成、溫度漂移等方面存在一定的難度，需要進(jìn)一步優(yōu)化與完善。MEMS陀螺由于自身存在質(zhì)量塊，抗過載能力受到一定的限制，同時(shí)其動(dòng)態(tài)范圍也很難滿足高旋彈藥姿態(tài)測量的需求，因此有機(jī)地結(jié)合MEMS陀螺的低微型化、低成本與光學(xué)陀螺的高精度、大動(dòng)態(tài)范圍，研制新型的平面全固態(tài)微光機(jī)電系統(tǒng)(micro-opto-electro-mechanical system，簡稱MOEMS)陀螺成為有效的解決途徑。

MOEMS陀螺是以光學(xué)檢測原理為基礎(chǔ)，綜合利用微納米制造技術(shù)、微光學(xué)技術(shù)所形成的光機(jī)電一體化和集成化的角速度傳感器件。MOMES陀螺，根據(jù)其傳輸方式的不同，可分為微鏡式與光波導(dǎo)式兩類。微鏡式陀螺利用MEMS工藝制造反射鏡，在空間光路實(shí)現(xiàn)Sagnac效應(yīng)；光波導(dǎo)式陀螺利用集成光學(xué)技術(shù)，在光波導(dǎo)諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)Sagnac效應(yīng)。2003年，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室開展了諧振式微光機(jī)電陀螺的研究[12]。他們利用低損耗的SiO2材料制作諧振腔，用GaAs襯底材料對(duì)激光器、相位調(diào)制器和光電探測器進(jìn)行單片集成，研制出諧振式集成光學(xué)陀螺。2007年，德國Paderborn大學(xué)采用Ti:LiNbO3環(huán)形諧振腔搭建了諧振式微光學(xué)陀螺系統(tǒng)，采用調(diào)制激光器，用鎖相解調(diào)的方法最小觀察到10(°)/s的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)[13]。圖2為陀螺系統(tǒng)的實(shí)物圖和系統(tǒng)檢測框圖。

目前，國內(nèi)外對(duì)微光機(jī)電陀螺的研究都采用了諧振式光學(xué)微腔方案。光學(xué)微腔是諧振式微光機(jī)電陀螺的角速度敏感核心元件，其品質(zhì)因數(shù)和直徑?jīng)Q定了陀螺系統(tǒng)的最小分辨角度。因此，大尺寸、高品質(zhì)因數(shù)微諧振腔的制造工藝是諧振式微光機(jī)電陀螺的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。采用光刻技術(shù)對(duì)Si或SiO2進(jìn)行微加工可以得到平面可集成的微諧振腔，光刻工藝成熟可控，是未來工業(yè)化生產(chǎn)平面微腔的最具潛力的方法，但光刻工藝加工的微腔表面光滑度仍需后續(xù)處理才能具有較高的品質(zhì)因數(shù)。加州理工Vahala小組通過光刻、刻蝕與二氧化碳激光器熔融工藝制備了Q值為108的微環(huán)芯腔[14]，并設(shè)計(jì)了一種新型帶楔角結(jié)構(gòu)的盤型微諧振腔[15]。浙江大學(xué)針對(duì)集成光學(xué)多圈環(huán)形諧振腔進(jìn)行了研究，提出一種多圈交叉的光波導(dǎo)諧振腔來提高諧振式光學(xué)陀螺的極限靈敏度[16-17]。

圖2 德國Paderborn大學(xué)研制的鈮酸鋰腔諧振式光學(xué)陀螺

對(duì)光纖一端進(jìn)行熔融得到的光纖球腔，其制備工藝簡單，并且具有108的超高品質(zhì)因數(shù)，但由于需要一個(gè)獨(dú)立的耦合器，導(dǎo)致其封裝集成困難。中北大學(xué)對(duì)SiO2微球腔做了角速度傳感方面的研究，提出了微球腔與錐形光纖耦合器的低折射率紫外膠點(diǎn)封裝與全封裝方法[18]。經(jīng)過點(diǎn)膠封裝后，錐形光纖耦合器與球腔由分立結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體，其穩(wěn)定性、實(shí)用性與可操作性大大增強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，中北大學(xué)搭建了諧振式光學(xué)陀螺測試系統(tǒng)，見圖3。利用調(diào)相譜與頻率跟蹤鎖定技術(shù)初步驗(yàn)證了球形諧振腔的角速度敏感特性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到球腔耦合系統(tǒng)的角速度靈敏度可達(dá)到0.095(°)/s[19]。

圖3 中北大學(xué)微球腔陀螺測試系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)測試的臺(tái)階曲線

1.2 半捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與算法

捷聯(lián)慣性技術(shù)是從20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的，是慣性技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。20世紀(jì)70年代以來，作為捷聯(lián)系統(tǒng)的核心部件，慣性測量裝置和計(jì)算機(jī)技術(shù)有了很大發(fā)展。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的不斷進(jìn)步，為捷聯(lián)慣性技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。新一代低成本的慣性器件如壓電陀螺、激光陀螺、光纖陀螺和石英加速度計(jì)的研制成功，為捷聯(lián)慣導(dǎo)的飛速發(fā)展打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。元器件中沒有傳統(tǒng)陀螺的轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，因而具有結(jié)構(gòu)牢固、可靠性高、啟動(dòng)時(shí)間短和對(duì)線性過載不敏感等特點(diǎn)，在較寬的動(dòng)態(tài)測量范圍內(nèi)具有良好的線性度，是非常理想的捷聯(lián)慣性測量器件。此外，由于算法編排、誤差建模、誤差標(biāo)定與補(bǔ)償以及測試技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)水平的不斷提高，極大地促進(jìn)了捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)的迅猛發(fā)展[20]。國外己將裝有光纖陀螺(fiber optical gyroscope，簡稱FOG)的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)用于戰(zhàn)斗機(jī)及機(jī)載武器系統(tǒng)[21]。Lipp等[22]提出了一種以FOG為基礎(chǔ)的LLN95慣性組件與GPS組合的陸用方案。

由于制造工藝等原因的限制，高精度的慣性器件研制難度很大，同時(shí)會(huì)使捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的成本提高?；贛EMS的慣性測量系統(tǒng)由于具有自主性強(qiáng)、可靠性高、體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗小、啟動(dòng)時(shí)間短、抗高過載以及易于安裝和維護(hù)等一系列的優(yōu)勢，尤其是在空間狹窄、環(huán)境惡劣和飛行時(shí)間較短的旋轉(zhuǎn)彈藥制導(dǎo)化應(yīng)用中，被普遍認(rèn)為是不可或缺的重要導(dǎo)航制導(dǎo)組件。由于能夠測量高轉(zhuǎn)速的大量程MEMS陀螺儀自身精度相對(duì)較低，而且存在嚴(yán)重影響姿態(tài)解算精度的極大角速率和極小角速率并存現(xiàn)象，在這種情況下捷聯(lián)式MEMS慣性測量方法已不能達(dá)到較高的測試精度，遇到了極大的挑戰(zhàn)。

半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的捷聯(lián)姿態(tài)測量技術(shù)與平臺(tái)姿態(tài)測量技術(shù)基礎(chǔ)之上，面向高速旋轉(zhuǎn)飛行體姿態(tài)測量的需求提出的新型測量方法。半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)與被測載體只在部分軸向捷聯(lián)安裝，而在空間3個(gè)正交軸向的其余軸上不捷聯(lián)(即彈體軸向上不捷聯(lián))。針對(duì)半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)只需要慣性測量系統(tǒng)在部分軸上與被測載體捷聯(lián)安裝的特性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可采用一種特殊的安裝結(jié)構(gòu)，確保慣性測量系統(tǒng)在彈軸方向?qū)嶋H所敏感到的角速率遠(yuǎn)小于彈藥軸向的高轉(zhuǎn)速，從而有效抑制彈藥軸向高轉(zhuǎn)速對(duì)慣性測量系統(tǒng)姿態(tài)測量精度的影響。中北大學(xué)研究了一種基于軸-軸承-軸承支架的半捷聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如圖4所示。整個(gè)結(jié)構(gòu)主要分為4個(gè)部分：動(dòng)力輸出倉；控制-驅(qū)動(dòng)電路安裝倉；慣性信息敏感倉；慣性信息采集倉。4個(gè)倉中還包括一些系統(tǒng)中所特有的組部件，這些組部件的共同作用保證了系統(tǒng)內(nèi)部的同軸性和結(jié)構(gòu)使用的可靠性與穩(wěn)定性。該系統(tǒng)成功地驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)半捷聯(lián)安裝結(jié)構(gòu)，能夠確保位于其內(nèi)部的慣性測量系統(tǒng)在彈體軸向只敏感一個(gè)較小的角速率信息，且該角速率遠(yuǎn)小于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備輸入角速率，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使被測物體的軸線轉(zhuǎn)速從300 r/min減至1 r/min[23]。

圖4 中北大學(xué)研制的半捷聯(lián)結(jié)構(gòu)

半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)在高旋彈藥制導(dǎo)中有著廣泛的應(yīng)用前景，因此研究高精度半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)算法，設(shè)計(jì)出一種適用于載體減旋后的應(yīng)用環(huán)境下的高精度算法具有重要意義。國內(nèi)外對(duì)姿態(tài)算法和位置、速度更新算法的研究主要集中在具有普遍適應(yīng)性的通用算法上，而經(jīng)半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)減旋后的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式有其特殊性，其角運(yùn)動(dòng)處于特定的頻率范圍之內(nèi)。楊寶慶等[24]對(duì)半捷聯(lián)式導(dǎo)引頭進(jìn)行了研究，根據(jù)其與常平架式及捷聯(lián)式導(dǎo)引頭不同的配置方式，推導(dǎo)了滾仰式和偏航俯仰式半捷聯(lián)導(dǎo)引頭視線轉(zhuǎn)率提取算法，并分析了影響半捷聯(lián)導(dǎo)引頭視線轉(zhuǎn)率提取精度的主要因素及誤差傳遞關(guān)系。文獻(xiàn)[25]提出了一種半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)算法，針對(duì)于“隔旋止轉(zhuǎn)”機(jī)構(gòu)下工程應(yīng)用算法，同傳統(tǒng)捷聯(lián)系統(tǒng)的算法類似，半捷聯(lián)慣性測量算法通常應(yīng)用旋轉(zhuǎn)矢量法進(jìn)行求解，通過載體的更新四元數(shù)得出姿態(tài)更新矩陣，提取出姿態(tài)信息，進(jìn)而利用姿態(tài)更新矩陣將加速度計(jì)的比力信息轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航系下，再通過積分運(yùn)算得到速度及位置信息。經(jīng)過以上運(yùn)算得出載體的俯仰角、偏航角以及載體的速度位置信息，載體滾轉(zhuǎn)角需要結(jié)合內(nèi)外部分的相對(duì)轉(zhuǎn)角得出。仿真結(jié)果顯示，經(jīng)過61.21 s的運(yùn)算后，該半捷聯(lián)慣性測量算法誤差約為傳統(tǒng)算法的1/5。

2 超強(qiáng)沖擊環(huán)境力學(xué)參量測試與儀器

隨著近些年來侵徹武器的發(fā)展和對(duì)爆炸沖擊現(xiàn)象研究的深入，對(duì)高g值加速度傳感器的需求和要求也逐漸增高。高g值加速度傳感器的工作環(huán)境一般比較惡劣，這對(duì)傳感器的量程、頻響和可靠性提出很高的要求。采用傳統(tǒng)工藝的加速度傳感器技術(shù)很難對(duì)其性能進(jìn)行改善，不能滿足高沖擊測試的要求；而采用微機(jī)械加工工藝的高g值加速度傳感器具有體積小、量程高、頻響高、精度高、可靠性高和便于批量制造等優(yōu)點(diǎn)，因此大多數(shù)的高g值加速度傳感器都采用微機(jī)械加工工藝。

鉆地/侵徹武器對(duì)鉆地過程中安裝在引信上的加速度計(jì)信號(hào)的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行采集，利用該結(jié)果來計(jì)算鉆地深度和引爆時(shí)間。高g值加速度傳感器的設(shè)計(jì)是炸點(diǎn)控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，系統(tǒng)中加速度傳感器的作用是真實(shí)、準(zhǔn)確地探測出侵徹彈在侵徹目標(biāo)的過程中的減加速度的變化規(guī)律。存儲(chǔ)記錄系統(tǒng)直接從傳感器獲取信號(hào)，完成信號(hào)匹配、傳輸、編碼、存儲(chǔ)以及向數(shù)據(jù)處理設(shè)備輸出數(shù)據(jù)。要在超強(qiáng)沖擊力的環(huán)境下完成對(duì)運(yùn)動(dòng)體工況參數(shù)的測試，需要一種可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與測試技術(shù)，這種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測試技術(shù)已經(jīng)成為測試計(jì)量技術(shù)與儀器學(xué)科的一個(gè)重要分支，應(yīng)用前景廣闊。

2.1 MEMS高g值加速度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，高g值加速度傳感器常用的檢測方式有電容式和壓阻式等。其中，壓阻式是基于摻雜多晶硅的壓阻效應(yīng)原理。硅壓阻式具有體積小、頻率范圍寬、量程寬、直接輸出電壓信號(hào)、不需要復(fù)雜電路、價(jià)格低廉和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但其電阻率隨溫度的升高迅速變小和組成的電橋電阻一致性較差的缺點(diǎn)也大大限制了它的應(yīng)用。硅壓敏材料的電阻率對(duì)溫度的依賴性大主要是因?yàn)楣鑹好綦娮枋峭ㄟ^高摻雜制作的，載流子濃度高，所以溫度對(duì)硅壓敏電阻的靈敏度影響很大。電容式檢測傳感器盡管精度較高，但是頻率響應(yīng)較低，無法滿足高g值環(huán)境下的需求。

壓阻式加速度傳感器的敏感原理是壓阻效應(yīng)，即當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化。其在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上分為有質(zhì)量塊與無質(zhì)量塊兩種，質(zhì)量塊一般通過懸臂梁或者連接梁懸掛，通過離子注入或者擴(kuò)散工藝在梁上制作壓敏電阻。當(dāng)質(zhì)量塊在加速度作用下發(fā)生位移時(shí)，引起懸臂梁發(fā)生形變，由于懸臂梁的應(yīng)力變化導(dǎo)致壓敏電阻的阻值變化。

20世紀(jì)90年代，美國Endevco公司7270A系列的第1代商業(yè)化產(chǎn)品已經(jīng)廣泛使用于武器系統(tǒng)的引信與高沖擊測試等[26]。圖5為高g值加速度傳感器7270A-200k的敏感元件結(jié)構(gòu)和封裝結(jié)構(gòu)圖。該敏感元件為雙質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，類似于工字梁結(jié)構(gòu)。利用各向異性刻蝕技術(shù)和體加工技術(shù)由單晶硅刻蝕而成，壓阻條用于提高靈敏度，鉸鏈則用于抑制橫向靈敏度和提高共振頻率。芯片的大小為1 mm×1 mm×200 μm。經(jīng)霍普金森棒沖擊測試，傳感器量程高達(dá)1 00 000g，安裝固有頻率達(dá)到1 MHz量級(jí)。在大于1 00 000g的情況下，加速度計(jì)具有很好的線性和敏感性。

圖5 Endevco研制的7270A-200k加速度傳感器

加拿大Alberta微電子中心研制了一種沒有質(zhì)量塊的壓阻式加速度傳感器[27]，見圖6。該傳感器可測100 000g加速度，諧振頻率優(yōu)于100 kHz，無論在靜態(tài)還是在沖擊環(huán)境下，均能承受10 000g的加速度沖擊。傳感器的敏感元件是一層4 μm厚的單晶硅薄膜構(gòu)成的單端懸臂梁結(jié)構(gòu)，在懸臂梁上通過擴(kuò)散的方法構(gòu)成惠斯通電橋，該傳感器在5 V橋壓激勵(lì)時(shí)的輸出靈敏度為0.75 μV/g。

圖6 Alberta中心研制的高g值加速度傳感器(單位：μm)

中北大學(xué)設(shè)計(jì)了一種單芯片集成三質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，以介觀壓阻式檢測方式作為敏感原理的三軸壓阻式高g值加速度傳感器[28]，如圖7所示。其量程為150 000g，抗過載200 000g。針對(duì)其關(guān)于MEMS高g值加速度傳感器抗高過載能力差、在沖擊等惡劣環(huán)境中應(yīng)用時(shí)結(jié)構(gòu)易破壞的問題展開了研究，提出在質(zhì)量塊、邊框和梁連接的直角處增加倒角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[29]，有效分散了梁的根部端受到的最大應(yīng)力，將加速度計(jì)的抗高過載能力從180 000g提高到240 000g。

圖7 中北大學(xué)研制的壓阻式高g值加速度傳感器結(jié)構(gòu)

電容式高g值加速度傳感器由可運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊構(gòu)成可變電容的一個(gè)可動(dòng)電極。當(dāng)質(zhì)量塊受加速度作用而移動(dòng)時(shí)，根據(jù)固定電極和可動(dòng)電極之間構(gòu)成的電容量的變化來測量加速度的大小。電容式的高g加速度傳感器精度高，易集成，不受溫度影響，功耗低，但信號(hào)處理電路復(fù)雜，線性度較差。

20世紀(jì)90年代末，美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室利用表面微機(jī)械加工技術(shù)研制的一種鉆地武器采用的電容式高g值加速度計(jì)，量程可達(dá)50 000g，如圖8所示。加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)單元包括參考電容、檢測電容和支撐梁。檢測電容由定極板和動(dòng)極板組成，其定極板與傳感器基座固連在一起，動(dòng)極板由梁支撐在定極板上方。結(jié)構(gòu)材料為多晶硅。

圖8 Sandia實(shí)驗(yàn)室研制的高g值加速度傳感器

2.2 抗高過載封裝防護(hù)技術(shù)

一般基于侵徹環(huán)境的實(shí)驗(yàn)，通常要求高g值加速度傳感器被封裝于金屬管殼中，成為一個(gè)自持系統(tǒng)，有利于傳感器自動(dòng)抵抗高沖擊作用力。如果己經(jīng)采用圓片級(jí)封裝，形成氣密封裝的器件則可以用塑料封裝管殼。芯片被安裝到管殼中去，還要進(jìn)行灌封，以便對(duì)器件固定和保護(hù)。當(dāng)采用引線絲焊互連時(shí)，可以使用單一的金屬系，如金焊絲、金焊盤或鍍金的可伐金屬管殼，其可靠性比用Au/Al絲焊互連的可靠性高很多。陶瓷封裝通常不適應(yīng)高沖擊環(huán)境，可以用不銹鋼材料和塑料代替(尤其是量程大于100 000g的情況下)。

常用的封裝管殼材料有有機(jī)玻璃、陶瓷和金屬等，封裝管殼的好壞決定于管殼的每個(gè)自由度都有足夠的剛度，而且敏感方向的1階諧振頻率必須在工作臺(tái)的上限頻率以上。類似于封裝膠分析，管殼材料的性能也對(duì)封裝后器件的動(dòng)態(tài)性能有重要影響。從上述可知，通過增加管殼剛度或者減輕管殼質(zhì)量可以提高諧振頻率，即管殼材料的彈性模量要大，其密度要小。通常同時(shí)滿足這兩個(gè)條件比較困難，所以往往只追求材料的剛度，要求愈大愈好。

美國Endevco公司研究的第2代MEMS高量程加速度計(jì)[26]采用了圓片級(jí)的封裝方法，即形成玻璃-硅芯片-玻璃的夾層結(jié)構(gòu)，為中間層的敏感元件提供氣密封裝。為了進(jìn)一步提高可靠性，芯片采用通孔互連，減少絲焊互連的數(shù)量。該加速度計(jì)的封裝采用小外形封裝(SO-X)。

由于加速度傳感器高過載測試過程中，緩沖模型及測試裝置將隨彈體一起做高速運(yùn)動(dòng)，在沖擊的瞬間, 被測體經(jīng)受了非常復(fù)雜的侵徹、碰撞、振動(dòng)和沖擊過程，測試裝置由于種種原因會(huì)受壓變形，電路灌封體會(huì)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，從而導(dǎo)致測試過程的失敗。中北大學(xué)針對(duì)這一動(dòng)態(tài)受力過程[30]，研究了裂紋的動(dòng)態(tài)起裂問題以及裂紋對(duì)動(dòng)態(tài)載荷的響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，利用馬歇特錘對(duì)測試裝置做破壞性的沖擊試驗(yàn)，得出關(guān)于測試結(jié)構(gòu)微型化設(shè)計(jì)、電路體的抗高過載設(shè)計(jì)以及測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理布局的設(shè)計(jì)原則：a. 應(yīng)盡可能選取比重低、強(qiáng)度高的原材料，并盡量減小系統(tǒng)的體積，即整個(gè)測試系統(tǒng)微型化；b. 應(yīng)設(shè)計(jì)合理的電路體結(jié)構(gòu)，盡量降低測試裝置的長度；c. 在結(jié)構(gòu)一定的條件下，應(yīng)將承壓能力好、強(qiáng)度高的部件或不重要的元器件放在測試裝置底部，而強(qiáng)度小和非常重要的元器件應(yīng)放在測試裝置的上部，且盡量均勻分布器件，以免由于內(nèi)部應(yīng)力分布不平衡而造成斷裂、變形等。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測試技術(shù)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的高速發(fā)展為遙測數(shù)據(jù)回收和海量數(shù)據(jù)再利用提供了可能，保證了信息化時(shí)代各種數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)播，為人們數(shù)字化生活提供了極大的便利[31]。在國防應(yīng)用中，航天航空中的黑匣子、彈載存儲(chǔ)器等都在遙測遙感領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。雙通道高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測試技術(shù)數(shù)據(jù)編碼靈活，存儲(chǔ)速率高，容量大，設(shè)計(jì)可靠，是破壞性環(huán)境下瞬時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)科研領(lǐng)域數(shù)據(jù)回收的理想選擇。

存儲(chǔ)測試技術(shù)比較先進(jìn)的有美國海軍洛倫斯研究所研制的用于彈丸侵徹艦船鋼板的彈載存儲(chǔ)記錄儀和美國Sandia研究所研制的用于彈丸穿地測試存儲(chǔ)系統(tǒng)等[32]。IES公司的52型高沖擊模擬信號(hào)記錄器能夠達(dá)到400 kHz的采樣頻率，可以工作在100 000g環(huán)境中。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室于1999年研制的微型高g值、單通道加速度記錄儀，能夠承受40 000g的加速度，采樣頻率為15 kHz，體積只有23 cm3，質(zhì)量約為91 g，其實(shí)物尺寸見圖9。

圖9 Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的加速度測試儀

國內(nèi)也有很多數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的生產(chǎn)廠商，如中科院研制的箭載存儲(chǔ)器及航天804所的星載記錄器等。中北大學(xué)多年來一直在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面進(jìn)行研究[33]，圖10為中北大學(xué)設(shè)計(jì)的一款具有雙通道高速數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)功能的設(shè)備，其最大存儲(chǔ)速率能夠達(dá)到百兆字節(jié)每秒，存儲(chǔ)容量達(dá)到了百GB級(jí)別，能夠抵抗住幾萬g的瞬時(shí)沖擊。在實(shí)驗(yàn)后硬回收裝置完好，獲得的遙測數(shù)據(jù)完整無誤。

圖10 中北大學(xué)研制的NUC-SD02 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

3 結(jié)束語

極端環(huán)境下的測量技術(shù)可以用于航空航天、武器裝備等領(lǐng)域，加強(qiáng)武器打擊精度，減少無謂傷亡，推動(dòng)人類對(duì)未知領(lǐng)域的探索，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前，極端環(huán)境下的測量技術(shù)的主要問題在于封裝防護(hù)、測量精度與制造工藝。為了保證傳感器在極端環(huán)境下的正常工作狀態(tài)與壽命，需要研究針對(duì)不同環(huán)境下的封裝防護(hù)技術(shù)。傳感器測量精度的提高則需要發(fā)現(xiàn)新的物理原理。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，傳感器越來越趨向于小型化和集成化。開發(fā)新的加工技術(shù)，利用專門的集成工藝與設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)小體積、低功耗和耐振動(dòng)抗沖擊傳感器的重要保證。極端環(huán)境下的測量技術(shù)一直是各國大力發(fā)展的核心與前沿技術(shù)，國內(nèi)的研究水平與歐美日相比還存在較大差距，亟待進(jìn)一步提高。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.06.001

*國家自然科學(xué)基金杰出青年基金資助項(xiàng)目(51225504)；國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“九七三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB723404)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61127008)

2015-07-07

TP212; TH113

薛晨陽,男，1971年11月生，教授。國家科技部863項(xiàng)目首席科學(xué)家和國家基金委儀器專項(xiàng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)，先后入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃、國家百千萬人才工程、國家杰出青年基金。主要研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)。曾發(fā)表《A dynamic stress analyzer for microelectromechanical system (MEMS) based on Raman spectroscopy》(《Journal of Raman Spectroscopy》2007，Vol.38)等論文。 E-mail：xuechengyang@edu.nuc.cn