曹慧亮 張英杰 寇志偉 石云波 唐軍 劉俊

摘 要：慣性制導(dǎo)系統(tǒng)在制導(dǎo)炮彈中有著極其重要的作用，其中，微機(jī)械陀螺儀作為慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件，其抗高過載能力直接制約著慣性制導(dǎo)系統(tǒng)在抗高過載環(huán)境中的應(yīng)用。首先，對(duì)炮射膛內(nèi)高過載環(huán)境進(jìn)行了建模和量化，概括了微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)的高過載失效機(jī)理。其次，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)公開發(fā)表的研究成果，從微機(jī)械陀螺儀的抗高過載特性的角度出發(fā)，介紹了不同測(cè)控方式、不同結(jié)構(gòu)形式、不同結(jié)構(gòu)材料、不同工作原理的微機(jī)械陀螺儀的抗沖擊能力。最后，對(duì)相關(guān)報(bào)道和論文進(jìn)行了總結(jié)和歸納，提出應(yīng)從驅(qū)動(dòng)-檢測(cè)方式、合理的吸能釋能結(jié)構(gòu)配置、工作原理、新型結(jié)構(gòu)材料、多級(jí)系統(tǒng)緩沖等方面設(shè)計(jì)和改進(jìn)高過載微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)，以提高陀螺的抗高過載能力。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù)；高過載；微機(jī)械陀螺；梳齒電容；四波腹振動(dòng)；硅材料

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(guī)武器（如火炮，坦克炮）和新型動(dòng)能武器（如電磁軌道炮）彈藥發(fā)射后的角速度信息測(cè)量是一個(gè)公認(rèn)的難題。究其原因主要是角速度傳感器件很難經(jīng)受高過載環(huán)境的沖擊，高過載過程對(duì)傳感器的破壞作用主要有兩條途徑：一是慣性力的直接沖擊，二是高過載產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞。彈藥在發(fā)射過程中，炮彈要經(jīng)歷巨大的過載作用以加速到預(yù)期的發(fā)射初速度，該過載過程的幅度峰值可達(dá)20 000g以上（g為重力加速度，下同），作用時(shí)間在數(shù)十毫秒以內(nèi)。例如，155 mm榴彈炮在發(fā)射過程中產(chǎn)生的最大過載脈沖幅度為20 000g，持續(xù)時(shí)間5 ms[1]；電磁炮發(fā)射過程炮彈所受最大過載幅度為40 000g以上，炮口初速度可達(dá)到7馬赫[2-3]。通過在炮彈中增加慣性制導(dǎo)模塊的方法可為彈道修正提供基準(zhǔn)，有效提高彈藥的命中精度[4]。因此，很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開展了常規(guī)彈藥的制導(dǎo)升級(jí)工作，并為新型動(dòng)能武器彈藥研制相關(guān)的慣性制導(dǎo)模塊[2]，其中，美國高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）更是把抗高過載陀螺儀作為關(guān)鍵器件之一列在了μPNT計(jì)劃中[5]。

河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)2018年第4期曹慧亮，等：抗高過載微機(jī)械陀螺儀研究綜述隨著微機(jī)械加工工藝和測(cè)控技術(shù)的不斷成熟，微機(jī)械（MEMS）陀螺儀的精度不斷提高，同時(shí)憑借其體積小、質(zhì)量輕、成本低、可批量生產(chǎn)、可靠性高等特點(diǎn)，各國都將其作為制導(dǎo)炮彈中角速率傳感器的首選[6-9]。但目前微機(jī)械陀螺在高過載環(huán)境中存在兩大問題：一是高過載過程不易存活，即陀螺在過載作用后失效；二是高過載后陀螺性能嚴(yán)重退化，即過載前后陀螺相關(guān)參數(shù)和性能（零偏值、標(biāo)度因數(shù)值、穩(wěn)定性等）很難保持一致。本文從高過載微機(jī)械陀螺儀角度出發(fā)，針對(duì)目前公開發(fā)表的抗過載微機(jī)械陀螺儀方面的研究報(bào)道，從結(jié)構(gòu)失效機(jī)理、結(jié)構(gòu)形式、測(cè)控方法、工作原理、結(jié)構(gòu)材料等方面進(jìn)行歸納和總結(jié)，進(jìn)一步凝練出微機(jī)械陀螺儀抗高過載設(shè)計(jì)方面的方法，為其早日應(yīng)用提供支持。

1 微機(jī)械陀螺儀抗高過載原理

1.1 高過載環(huán)境沖擊原理

多數(shù)火炮在發(fā)射過程中產(chǎn)生的膛內(nèi)過載特性曲線如圖1所示（只顯示主要趨勢(shì)，忽略過載幅度波動(dòng)的噪聲信號(hào)）[1]。該過程主要由3個(gè)峰值點(diǎn)（2個(gè)正方向，1個(gè)負(fù)方向）組成，其中，某型號(hào)火炮發(fā)射過程膛內(nèi)最大峰值約為20 000g，作用時(shí)間小于20 ms。

由于要經(jīng)歷如此高的過載過程，陀螺儀等慣性器件結(jié)構(gòu)的形狀、材料和振動(dòng)特性等特性必會(huì)發(fā)生較大的變化[11-12]，需要對(duì)高過載環(huán)境下微機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)的失效情況進(jìn)行分析。

1.2 高過載狀態(tài)條件下陀螺結(jié)構(gòu)失效機(jī)理

在高過載條件下微機(jī)械陀螺失效機(jī)理分析方面，芬蘭阿爾托大學(xué)對(duì)敏感結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)封裝等方面進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示[13]，使結(jié)構(gòu)完全失效（器件失去工作能力，表現(xiàn)為器件未存活）的原因來自多方面，如：結(jié)構(gòu)-基底鍵合層破裂引起的失效、結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)斷裂引起的失效等，而陀螺儀結(jié)構(gòu)的功能性失效（器件保持一定工作能力但各項(xiàng)參數(shù)均會(huì)變化，表現(xiàn)為器件性能退化）主要由于梳齒等檢測(cè)機(jī)構(gòu)的掉落和結(jié)構(gòu)的部分損壞。進(jìn)一步的分析如下。

1.2.1 完全失效

陀螺結(jié)構(gòu)完全損壞以至于完全失去工作能力，輸出信號(hào)與角速率無關(guān)，產(chǎn)生原因大致有以下3種[14]。

1）斷裂或破碎：過載產(chǎn)生的應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度極限，且這種狀態(tài)不可逆，此外，結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力的作用下也會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂，這兩種現(xiàn)象均會(huì)出現(xiàn)在過載作用過程中，且往往出現(xiàn)在比較關(guān)鍵的位置，如梁與錨點(diǎn)連接部分等[15-17]。

2）吸合與黏附：在高過載過程中，陀螺結(jié)構(gòu)擺動(dòng)幅度很大，使梁“貼”在驅(qū)動(dòng)電極上導(dǎo)致器件完全失效。黏附失效是指微機(jī)構(gòu)在應(yīng)用過程中彼此之間的表面吸附力大于機(jī)構(gòu)的彈性恢復(fù)力時(shí)，兩個(gè)微機(jī)構(gòu)將會(huì)黏合在一起[18]。

3）應(yīng)力與分層：微結(jié)構(gòu)在加工過程中大都采用了分層鍵合的方法，但各層間材料在高溫退火等加工過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不同、溫度系數(shù)不匹配，在過載施加時(shí)會(huì)導(dǎo)致層間脫落、斷裂等現(xiàn)象導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。

1.2.2 部分失效

結(jié)構(gòu)未完全損壞，輸出信號(hào)雖然發(fā)生變化但仍能反映角（速）度信息，導(dǎo)致過載前后陀螺輸出信號(hào)差異，產(chǎn)生原因大致有以下幾種。

1）檢測(cè)機(jī)構(gòu)受損：過載對(duì)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生損傷，例如，對(duì)于電容檢測(cè)的結(jié)構(gòu)，過載導(dǎo)致檢測(cè)電容兩極板碰撞以致極板破損，則檢測(cè)信號(hào)變化。

2）部分支撐機(jī)構(gòu)受損：過載施加時(shí)，壁與底連接部分局部發(fā)生斷裂，但梁依然與振動(dòng)質(zhì)量塊緊密連接，使得陀螺依然可以工作，只是改變了模態(tài)的固有頻率等參數(shù)，這種情況直接影響陀螺的機(jī)械靈敏度等參數(shù)。此外結(jié)構(gòu)斷裂產(chǎn)生的碎屑和殘骸也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的正常工作產(chǎn)生較大危害。

3）梁裂縫：在過載過程中，由于應(yīng)力無法釋放而導(dǎo)致梁產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量或者產(chǎn)生應(yīng)力變形。

通過分析上述失效機(jī)理，進(jìn)一步對(duì)相關(guān)失效機(jī)理進(jìn)行量化分析以建立陀螺結(jié)構(gòu)仿真邊界條件（如對(duì)于斷裂，應(yīng)力仿真時(shí)應(yīng)設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)使結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度等），可以更好地優(yōu)化參數(shù)，提高陀螺結(jié)構(gòu)的抗過載性能。

2 國內(nèi)外抗高過載微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

在研制應(yīng)用于高過載環(huán)境的微機(jī)械陀螺儀方面，國內(nèi)外多個(gè)公司和科研院所均提出了相關(guān)方案。意法半導(dǎo)體和美國InvenSense公司都提供了抗過載10 000g的產(chǎn)品[19-20]，其中采用的結(jié)構(gòu)形式并未見報(bào)道。在線振動(dòng)硅微機(jī)械陀螺儀抗過載報(bào)道方面，美國Honeywell公司研制的陀螺結(jié)構(gòu)如圖3所示，該結(jié)構(gòu)目前可抗20 000g過載[21-22]，過載后陀螺儀的零偏穩(wěn)定性參數(shù)從過載前的18°/h惡化到了過載后的180°/h（性能退化近10倍）；法國THALES公司研制的微機(jī)械陀螺儀如圖4所示，其陀螺在20 000g過載作用后存活，但多項(xiàng)參數(shù)均明顯惡化[23]，如零偏穩(wěn)定性退化了587%，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性退化了218%。過載測(cè)試是針對(duì)陀螺整機(jī)，其外部結(jié)構(gòu)也起到了一定的緩沖作用。

美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室過載測(cè)試的陀螺在10 000g的過載作用后，標(biāo)度因數(shù)由12.239 mV/（（°）·s）變化至12.177 mV/（（°）·s），零偏值由2.414 V變化至2.400 V[24]；土耳其中東科技大學(xué)研制的線振動(dòng)硅微陀螺結(jié)構(gòu)采用了一種新型的折疊梁結(jié)構(gòu)，在有限元軟件中仿真顯示其可抗10 000g過載作用，如圖5所示[25]，但并未檢索到其高過載的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；美國加州大學(xué)伯克利分校提出了一種采用碳化硅材料的線性諧振結(jié)構(gòu)[26]，通過空氣炮實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了64 000g的沖擊過載實(shí)驗(yàn)，諧振頻率在沖擊實(shí)驗(yàn)前后并無太大變化，證明了碳化硅材料良好的抗高過載特性，結(jié)構(gòu)如圖6所示；美國伍斯特理工學(xué)院對(duì)音叉式微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)（見圖7）進(jìn)行了高過載測(cè)試[27]，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)能夠承受10 000g的加速度沖擊，表面形態(tài)沒有明顯損傷，但并未對(duì)陀螺測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)道；美國加州大學(xué)爾灣分校提出了多質(zhì)量塊的陀螺結(jié)構(gòu)形式[28-29]，在較小沖擊幅值下能保持較好的參數(shù)一致性，其結(jié)構(gòu)如圖8所示；意大利米蘭理工大學(xué)提出了一款壓阻檢測(cè)形式的硅基三軸微機(jī)械陀螺儀，在3 400g沖擊作用下，其標(biāo)度因數(shù)變化了0.8%[30]。

上海微系統(tǒng)所在線振動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了質(zhì)量塊的靜電力限位機(jī)構(gòu)以提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊特性，通過對(duì)裸芯片進(jìn)行的沖擊實(shí)驗(yàn)表明，陀螺儀沿X軸的抗沖擊性為15 000g，Y軸為14 000g，Z軸為11 000g，陀螺結(jié)構(gòu)如圖9所示[31]；東南大學(xué)對(duì)所研制的雙質(zhì)量陀螺結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗過載分析，其結(jié)構(gòu)如圖10所示[32]，可有效抑制500g過載作用，但未報(bào)道在高過載環(huán)境下的測(cè)試。

北京信息科技大學(xué)和北京郵電大學(xué)提出了一種“三明治”結(jié)構(gòu)形式的無驅(qū)動(dòng)微機(jī)械陀螺儀以達(dá)到抗高過載特性[33-35]，北京信息科技大學(xué)設(shè)計(jì)的陀螺結(jié)構(gòu)照片如圖11所示，該結(jié)構(gòu)形式不需要使結(jié)構(gòu)諧振，而是在角速度輸入時(shí)被動(dòng)檢測(cè)電極的變化；上海交通大學(xué)提出了一種雙軸的抗高過載壓阻形式的陀螺結(jié)構(gòu)（如圖12所示）[36]，在仿真過程中陀螺兩個(gè)軸的標(biāo)度因數(shù)分別為4.53 mV/（（°）·s）和0.93 mV/（（°）·s），由于結(jié)構(gòu)本身是一個(gè)整體且無較大幅值的運(yùn)動(dòng)，因此其理論上具有較好的抗沖擊能力；重慶郵電大學(xué)提出了一種諧振梁陀螺[37]，其樣機(jī)及測(cè)試圖如圖13所示，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了11 000g的沖擊測(cè)試。

中電26所在應(yīng)力集中的部位設(shè)計(jì)圓弧開槽結(jié)構(gòu)如圖14所示，用以釋放應(yīng)力。通過綜合優(yōu)化后，石英微機(jī)械陀螺的抗高沖擊能力可達(dá)到10 000g，并保持了較好的性能[38]。航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司通過在封裝結(jié)構(gòu)中增加多級(jí)緩沖機(jī)構(gòu)以減緩高g值對(duì)傳感器的破壞，仿真結(jié)果顯示該陀螺可以承受3個(gè)方向5 000g的加速度沖擊[39]。

在基于四波腹振型模態(tài)工作原理陀螺高過載測(cè)試和仿真方面，英國BAE公司研制了硅微環(huán)形陀螺SiVSG，該陀螺利用四波腹振型模態(tài)，并采用了電磁驅(qū)動(dòng)檢測(cè)方式，可承受至少20 000g的炮彈發(fā)射過載，但過載前后陀螺儀的零偏穩(wěn)定性和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性分別從85°/h和0.69‰ 惡化至110°/h和0.91‰（性能退化近30%），如圖15所示[1，40]；韓國亞洲大學(xué)（Ajou University）提出了一款用于戰(zhàn)術(shù)級(jí)的電容驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)式陀螺結(jié)構(gòu)，如圖16所示，該結(jié)構(gòu)采用了圓片級(jí)真空封裝，在過載峰值為15 900g持續(xù)時(shí)間1.2 ms的空氣炮作用下，其標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性和零偏穩(wěn)定性分別由過載前的0.027‰和0.76°/h變?yōu)檫^載后的0.049‰和0.83°/h，性能有所退化（零偏穩(wěn)定性性能退化9%，標(biāo)度因數(shù)性能退化80%）[41]。

中科院電子所提出了電磁驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)式陀螺結(jié)構(gòu)，如圖17所示，經(jīng)有限元軟件仿真該結(jié)構(gòu)可抗10 000g過載，但并未報(bào)道相關(guān)的過載試驗(yàn)數(shù)據(jù)[42-43]。中北大學(xué)也提出了一種內(nèi)部呈“S”形梁支撐形式的環(huán)形陀螺結(jié)構(gòu)（見圖18），仿真結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)自身可承受1 000g的過載[44-46]；同濟(jì)大學(xué)對(duì)環(huán)形陀螺進(jìn)行了抗過載結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在11 000g過載峰值輸入的情況下，優(yōu)化后的環(huán)形結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為421.8 MPa，小于硅材料的許用應(yīng)力，證明了環(huán)形結(jié)構(gòu)形式具有較好的抗沖擊能力[47]；北京理工大學(xué)提出的金屬錐形陀螺（見圖19）在10 000g以上的高過載環(huán)境中驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)諧振頻率變化0.2%，說明該結(jié)構(gòu)具有較好的抗高過載能力[48-50]。

中北大學(xué)提出了一種高靈敏度且抗高過載的微機(jī)械磁阻陀螺（如圖20所示）[51]，采用電磁驅(qū)動(dòng)和磁阻檢測(cè)的方式，通過仿真證明了該結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方向可承受100 000g過載沖擊，檢測(cè)方向可承受70 000g過載沖擊，結(jié)構(gòu)的靈敏度為53 nm/（（°）·s）。

3 總結(jié)與展望

從面向制導(dǎo)炮彈的應(yīng)用背景出發(fā)，通過對(duì)膛內(nèi)過載環(huán)境的量化分析，提出了彈載慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中高過載微機(jī)械陀螺高過載能力的需求，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)微機(jī)械陀螺儀的失效機(jī)制進(jìn)行了歸納和分析。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)在抗高過載微機(jī)械陀螺方面的研究，總結(jié)歸納了不同測(cè)控原理、不同工作方式、不同結(jié)構(gòu)形式的微機(jī)械陀螺儀的抗沖擊能力。但目前并未出現(xiàn)任何在高過載（炮擊）環(huán)境前后微機(jī)械陀螺參數(shù)未發(fā)生變化的報(bào)道，說明抗高過載微機(jī)械陀螺儀方面的研究工作還需要進(jìn)一步深入開展，本文認(rèn)為提高微機(jī)械陀螺儀抗高過載特性可從以下5個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

1）采用其他驅(qū)動(dòng)-檢測(cè)方式代替梳齒電容方式 梳齒電容在過載時(shí)容易發(fā)生斷裂和結(jié)構(gòu)吸合以致陀螺結(jié)構(gòu)失效，可采用電磁、磁阻效應(yīng)等檢測(cè)原理替代梳齒電容檢測(cè)方式[1，51]。

2）采用四波腹振型模態(tài)等工作方式代替線振動(dòng)工作方式 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，四波腹振型模態(tài)工作方式在高過載狀態(tài)下性能退化現(xiàn)象優(yōu)于線振動(dòng)工作方式的陀螺結(jié)構(gòu)[1，41，48]，尤其是在其全角工作模式下，通過四波腹相位信息反映輸入角度[52]，相位信息對(duì)沖擊造成的線位移幾乎不敏感。

3）采用合理的吸能和釋能機(jī)構(gòu) 在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中增加合理的吸能和釋能機(jī)構(gòu)以吸收和釋放由于高過載產(chǎn)生的應(yīng)力和能量以保護(hù)結(jié)構(gòu)[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過載性能好的材料替代硅材料，達(dá)到提升高過載特性的目的[26]。

5）采用多級(jí)抗過載防護(hù)技術(shù)提高陀螺整體抗過載能力 可在MIMU外殼、陀螺外殼、陀螺結(jié)構(gòu)外殼、陀螺結(jié)構(gòu)基底等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行抗過載處理，分級(jí)吸收沖擊應(yīng)力波，最終提高陀螺整機(jī)抗過載能力[39，53]。

隨著新原理和新材料的不斷成熟和應(yīng)用，高過載環(huán)境將不再成為微機(jī)械陀螺的禁區(qū)，如何能夠降低成本和體積、提高產(chǎn)量和標(biāo)定效率、與MIMU集成將是抗高過載微機(jī)械陀螺在下一階段中亟待解決的問題。

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