青 澤，牟 東，廉 璞，李東杰

中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621999)

0 引言

目前，世界各軍事強(qiáng)國均在開展常規(guī)武器彈藥的制導(dǎo)升級工作，其主要目的是實現(xiàn)在彈藥發(fā)射后實時測量彈藥的姿態(tài)信息，為彈道修正提供基準(zhǔn)，以有效提高彈藥的命中精度[1-2]。同時，為有效打擊深埋于地下的高價值目標(biāo)，各國在侵徹武器的發(fā)展中也增加了實時測量彈體姿態(tài)的要求，以保證戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)效能[3-4]。為滿足越來越多的實時姿態(tài)測量需求，主要的技術(shù)手段是在炮彈中增加慣性制導(dǎo)模塊[5]，利用慣性傳感器(加速度計和陀螺儀)實時測量彈藥的加速度和角速度信息，進(jìn)一步得到彈藥的姿態(tài)信息。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，各類微慣性傳感器(MEMS加速度計和MEMS陀螺)的精度不斷提高。與傳統(tǒng)慣性傳感器相比，微慣性傳感器具有體積小，質(zhì)量小，成本低，可批量生產(chǎn)及可靠性高等特點(diǎn)[6-7]，因此，世界各國都將其作為制導(dǎo)炮彈中慣性傳感器的首選。但在高過載條件下，各類微慣性測量器件，尤其是MEMS陀螺的性能會隨著過載的增加發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)為兩大問題[8-9]：

1) 經(jīng)歷高過載過程后,MEMS陀螺完全失效，無法使用。

2) 高過載過程后，MEMS陀螺仍能使用，但性能嚴(yán)重退化。

因此，研究在高過載條件下MEMS陀螺的失效模式，對利用微慣性傳感器實現(xiàn)高過載姿態(tài)測量具有重要意義[10]。

本文以高過載MEMS陀螺為中心，充分調(diào)研有關(guān)高過載條件下MEMS陀螺的研究資料，從典型高過載環(huán)境及高過載環(huán)境下MEMS陀螺失效模式等方面進(jìn)行歸納總結(jié)，詳細(xì)介紹了國內(nèi)外抗高過載MEMS陀螺的研究進(jìn)展，進(jìn)一步提出MEMS陀螺抗高過載的設(shè)計方法和工程應(yīng)用思路，為利用MEMS陀螺實現(xiàn)高過載姿態(tài)測量提供參考。

1 高過載環(huán)境概述

1.1 典型高過載環(huán)境

目前，在高過載姿態(tài)測量中，MEMS陀螺所面臨的典型高過載環(huán)境包括彈藥發(fā)射過程產(chǎn)生的高過載沖擊和彈藥侵徹過程中的高過載碰撞[11]，如圖1所示。

圖1 典型高過載環(huán)境

1.1.1 發(fā)射過程高過載特性

圖2為彈藥發(fā)射過程中典型的過載特性曲線。該過程主要由3個峰值點(diǎn)(2個正方向，1個負(fù)方向)組成，其過載最大值可達(dá)20 000g(g=9.8 m/s2)[12]。

圖2 發(fā)射過程高過載特性曲線

由圖2可見，彈藥發(fā)射過程中，過載特性可近似分解為3個簡單的過載脈沖，其過載峰(即高過載環(huán)境產(chǎn)生的慣性力)[13]為

(1)

式中：Api(i=1,2,3)為過載峰值；τi(i=1,2,3)為過載截止時間；ωai=π/τi(i=1,2,3)。

1.1.2 侵徹過程高過載特性

在彈藥侵徹過程中，典型的過載特性曲線如圖3所示。當(dāng)彈丸頭部剛與靶板接觸時，彈丸頭部與靶板表面相交處的橫截面較小，侵徹阻力不大，因而加速度也不大；隨著侵徹深度的增加，彈丸頭部與靶板表面相交處的橫截面不斷增大，當(dāng)該橫截面的直徑與彈徑相等時，侵徹阻力接近最大值；當(dāng)侵徹深度繼續(xù)增加時，侵徹阻力的增加是由彈丸外表面與靶體的接觸面積增大而使摩擦力增大，加速度接近于最大加速度；隨著侵徹深度的增加，克服侵徹阻力消耗的能量也越大，從而使彈丸的運(yùn)動速度逐漸降低，當(dāng)彈丸速度變化為0時，侵徹阻力也為0，加速度也隨之變?yōu)?[14-16]。

圖3 侵徹過程高過載特性曲線

1.2 高過載環(huán)境中MEMS陀螺響應(yīng)類型

在高過載環(huán)境中，MEMS陀螺的響應(yīng)類型按照過載作用后的時間順序可分為3類[8,17]，如圖4所示。首先出現(xiàn)彈性波響應(yīng)，其作用時間0T。

圖4 高過載環(huán)境中MEMS陀螺響應(yīng)類型

2 高過載條件下MEMS陀螺失效模式

高過載條件下，MEMS陀螺的破壞途徑主要有兩條：一是慣性力的直接沖擊；二是高過載應(yīng)力波對MEMS陀螺結(jié)構(gòu)的破壞，從而導(dǎo)致MEMS陀螺在高過載環(huán)境中出現(xiàn)兩大典型問題[8,18]：

1) 陀螺在高過載作用后失去工作能力，無法繼續(xù)使用，即完全失效。

2) 高過載作用后陀螺性能嚴(yán)重退化，雖仍能保持一定的工作能力，但陀螺的各項參數(shù)和性能(如零偏、標(biāo)度因數(shù)、穩(wěn)定性等)發(fā)生了變化，即功能性失效。

2.1 完全失效

在高過載條件下，MEMS陀螺完全失效表現(xiàn)為其結(jié)構(gòu)完全損壞，完全喪失工作能力，輸出的信號與角速率無關(guān)。其產(chǎn)生的原因來自多方面，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，總結(jié)起來可分為以下幾方面。

2.1.1 結(jié)構(gòu)斷裂

在高過載環(huán)境中，高過載產(chǎn)生的應(yīng)力超過MEMS陀螺材料的屈服強(qiáng)度極限，從而導(dǎo)致材料出現(xiàn)斷裂。此外，在交變應(yīng)力的持續(xù)作用下，MEMS陀螺結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生疲勞斷裂，這兩種斷裂現(xiàn)象均會出現(xiàn)在高過載作用過程中，且常出現(xiàn)在較關(guān)鍵的位置，如梁與錨點(diǎn)連接部分等。如圖5所示，在某MEMS音叉陀螺的抗沖擊實驗中，當(dāng)過載載荷超過17 000g時，陀螺的彈簧梁、梳齒電極，甚至電極支撐部分出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)斷裂情況[19-20]。

圖5 高過載條件下MEMS音叉陀螺結(jié)構(gòu)斷裂

2.1.2 貼合與黏附

貼合失效是指在高過載過程中，陀螺的結(jié)構(gòu)擺動幅度過大，使梁“貼”在驅(qū)動電極上導(dǎo)致器件完全失效。圖6為某MEMS陀螺的微懸臂梁在沖擊下貼合在電極表面而導(dǎo)致失效[21]。黏附失效是指高過載導(dǎo)致微機(jī)構(gòu)彼此間的表面吸附力大于機(jī)構(gòu)的彈性恢復(fù)力，使兩個微機(jī)構(gòu)黏合在一起而失效[22]。圖7為某MEMS陀螺中的微機(jī)構(gòu)彼此之間黏附在一起，導(dǎo)致陀螺失效[23]。

圖6 微懸臂梁貼合失效

圖7 微機(jī)構(gòu)黏附失效

2.1.3 微粒污染

微粒污染也是MEMS陀螺在高過載沖擊作用下常見的失效模式之一。MEMS陀螺在制造生產(chǎn)過程中的刻蝕、表面清理、退火、金屬沉積和封裝過程中皆可引入微粒污染，且MEMS陀螺材料的晶粒生長過程也可引入微粒污染。在高過載沖擊載荷的作用下，MEMS陀螺基底與梳齒間、梳齒與梳齒間及質(zhì)量塊與梳齒間產(chǎn)生微粒，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)因短路而失效[24-25]，如圖8所示。

圖8 微粒污染引起MEMS陀螺短路失效

2.1.4 鍵合層間脫落

大部分MEMS陀螺結(jié)構(gòu)都采用分層鍵合的加工方法，但各層間材料在高溫退火等加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不同，溫度系數(shù)不匹配，在高過載沖擊時會導(dǎo)致層間脫落而使結(jié)構(gòu)失效[26]。

2.2 功能性失效

在高過載條件下，MEMS陀螺功能性失效表現(xiàn)為其結(jié)構(gòu)未完全損壞，仍具有一定的工作能力，輸出信號雖然發(fā)生變化，但仍能反映角速度信息，導(dǎo)致過載前、后陀螺輸出信號差異[27]。其產(chǎn)生的原因主要包括機(jī)構(gòu)受損及結(jié)構(gòu)裂縫。

2.2.1 機(jī)構(gòu)受損

在高過載條件下，MEMS陀螺的驅(qū)動機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)，甚至部分支撐機(jī)構(gòu)因出現(xiàn)不同程度的損傷而導(dǎo)致其輸出信號發(fā)生變化。如對于電容檢測的結(jié)構(gòu)，高過載導(dǎo)致檢測電容兩極板碰撞而使極板破損，從而導(dǎo)致檢測信號發(fā)生變化。

2.2.2 結(jié)構(gòu)裂縫

在高過載過程中，由于巨大的應(yīng)力無法釋放而導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量或產(chǎn)生應(yīng)力變形，從而使陀螺輸出信號發(fā)生變化。如高過載應(yīng)力使MEMS陀螺微懸臂梁出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致梁出現(xiàn)微小變形。

3 抗高過載MEMS陀螺研究進(jìn)展

與傳統(tǒng)陀螺相比，MEMS陀螺具有體積小，質(zhì)量小，成本低，可大批量生產(chǎn)，可靠性高及電路可單片集成等優(yōu)點(diǎn)，因此，MEMS陀螺已成為世界各國關(guān)于微慣性器件的研究熱點(diǎn)。在研制應(yīng)用于高過載條件下的MEMS陀螺方面，國內(nèi)外眾多公司、高校和科研院所均提出了相關(guān)方案，出現(xiàn)了許多不同類型的MEMS陀螺，其在高過載條件下的性能也各不相同。

3.1 國外研究進(jìn)展

在抗20 000g及以上量級高過載方面，美國加州大學(xué)伯克利分校研制了一款基于碳化硅材料和線性諧振結(jié)構(gòu)的MEMS陀螺[28]，如圖9所示，在過載沖擊達(dá)64 000g的空氣炮試驗中，其諧振頻率無明顯變化。美國Honywell公司基于線振動原理研制的MEMS陀螺如圖10所示，該陀螺在20 000g過載條件下能夠存活，但其零偏穩(wěn)定性退化近10倍[29]。法國THALES公司研制的MEMS陀螺如圖11所示[30]，該陀螺經(jīng)歷20 000g的過載沖擊后，其零偏穩(wěn)定性退化587%，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性退化218%。

圖9 加州大學(xué)伯克利分校研制的MEMS陀螺

圖10 Honywell公司研制的MEMS陀螺

圖11 THALEX公司研制的MEMS陀螺

此外，英國BAE公司基于四波腹振型模態(tài)工作原理研制了一款MEMS陀螺SiVSG[31]，如圖12所示，該陀螺采用電磁驅(qū)動方式和環(huán)形結(jié)構(gòu)，在經(jīng)歷20 000g過載沖擊后，零偏穩(wěn)定性從85 (°)/h退化至110 (°)/h，其標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性從0.69‰退化至0.91‰，性能退化近30%。韓國亞洲大學(xué)研制的基于電容驅(qū)動和檢測的MEMS陀螺[32]，采用圓片級真空封裝，在過載峰值接近20 000g、持續(xù)時間1.2 ms的空氣炮作用下，其標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性由0.027‰變?yōu)?.049‰，零偏穩(wěn)定性由0.76 (°)/h變?yōu)?.83 (°)/h，如圖13所示。

圖12 BAE公司研制的MEMS陀螺

圖13 韓國亞洲大學(xué)研制的MEMS陀螺

在抗10 000g量級高過載方面，美國陸軍研究實驗室研制的MEMS陀螺在經(jīng)歷10 000g過載后，零偏值由2.414 V變化至2.400 V，標(biāo)度因數(shù)由12.239 mV/[(°)·s]變化至12.177 mV/[(°)·s]，其結(jié)構(gòu)如圖14所示[33]。美國伍斯特理工學(xué)院研制的一款音叉式MEMS陀螺能夠承受10 000g的過載沖擊，其表面形態(tài)在過載沖擊后無明顯變化，如圖15所示[34]。土耳其中東科技大學(xué)基于線振動原理研制的一款MEMS陀螺，采用一種新型的折疊梁結(jié)構(gòu)，仿真顯示該陀螺在10 000g過載作用前、后，其結(jié)構(gòu)無明顯損壞，其結(jié)構(gòu)示意如圖16所示[35]。

圖14 美國陸軍研究實驗室研制的MEMS陀螺

圖15 伍斯特理工學(xué)院研制的MEMS音叉陀螺

圖16 土耳其中東大學(xué)研制的MEMS陀螺

美國密歇根大學(xué)無線集成微傳感與系統(tǒng)中心在美國國防高級研究計劃局(DARPA)“穩(wěn)定型精確慣性制導(dǎo)彈藥先進(jìn)微慣性傳感器(PRIGM-AIMS)”項目[36]的支持下，采用改進(jìn)的噴燈法工藝制作了一種新型熔融石英精密殼體集成(PSI)微諧振器原型樣機(jī)(見圖17)，用于實現(xiàn)的微半球諧振陀螺具有高抗沖擊性[37-38]。

圖17 密歇根大學(xué)研制的PSI諧振器

MEMS陀螺在高過載前、后的性能變化如表1所示。

表1 國外抗高過載MEMS陀螺研究情況匯總

3.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

在抗20 000g及以上量級高過載方面，中北大學(xué)研發(fā)了一種高靈敏度的MEMS磁阻陀螺[39-41]，如圖18所示，該陀螺采用電磁驅(qū)動和磁阻檢測的方式，在仿真條件下，該陀螺可承受100 000g的驅(qū)動方向過載沖擊和70 000g的檢測方向過載沖擊，但其實際抗高過載能力還有待試驗驗證。清華大學(xué)和中國科學(xué)院通過改進(jìn)MEMS音叉懸掛梁的尺寸結(jié)構(gòu)，提高了沖擊振動模態(tài)諧振頻率，在保證陀螺性能的前提下增強(qiáng)陀螺的抗沖擊性，如圖19所示。測試表明，在驅(qū)動方向上該陀螺抗沖擊性可達(dá)23 000g[20,42]。長沙理工大學(xué)和北京大學(xué)設(shè)計了一種抗沖擊保護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖20所示。實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可使MEMS陀螺耐受20 000g以上的加速度沖擊[43]。

圖18 中北大學(xué)研制的磁阻MEMS陀螺

圖19 清華大學(xué)和中科院聯(lián)合研制的MEMS陀螺

圖20 長沙理工大學(xué)和北京大學(xué)聯(lián)合研制的MEMS陀螺

此外，國內(nèi)其他機(jī)構(gòu)在抗高過載MEMS陀螺的研究方面，仍主要集中在10 000g左右的量級方面。金屬錐形陀螺(見圖21)是北京理工大學(xué)提出的一種抗高過載陀螺[44-45]，在10 000g以上的高過載環(huán)境中，其驅(qū)動和檢測模態(tài)的諧振頻率僅變化0.2%。同濟(jì)大學(xué)在已有環(huán)形MEMS陀螺的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠有效承受達(dá)11 000g的過載峰值[46]，其優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖22所示。上海交通大學(xué)基于壓阻形式設(shè)計了一種雙軸的抗高過載MEMS陀螺[47-48]，其結(jié)構(gòu)如圖23所示，經(jīng)仿真測試，該結(jié)構(gòu)具有較好的抗高過載沖擊能力。北京郵電大學(xué)研制了一種無驅(qū)動的“三明治”式MEMS陀螺[49-50]，如圖24所示，該陀螺在角速度輸入時被動檢測電極的變化，具有一定的抗高過載沖擊能力。重慶郵電大學(xué)提出了一種諧振梁陀螺[51]，如圖25所示，該陀螺能夠承受11 000g的過載沖擊。

圖21 北京理工大學(xué)研制的金屬錐形陀螺

圖22 同濟(jì)大學(xué)研制的環(huán)形MEMS陀螺

圖23 上海交通大學(xué)研制的MEMS陀螺

圖24 北京郵電大學(xué)研制的“三明治”式MEMS陀螺

圖25 重慶郵電大學(xué)研制的MEMS陀螺

在抗高過載MEMS陀螺的研制方面，國內(nèi)除高校外，還有不少研究所也取得了一定的研究成果。中電26所在MEMS陀螺結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力相對集中部位設(shè)計了特殊的圓弧開槽結(jié)構(gòu)[9](見圖26)，用以釋放應(yīng)力。試驗表明，增加圓弧開槽結(jié)果的MEMS陀螺抗高沖擊能力可達(dá)到10 000g，并保持了良好的性能。上海微系統(tǒng)所在線振動結(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[52]，實驗表明，該陀螺儀在x、y、z方向上可實現(xiàn)抗最高15 000g、最低11 000g的過載沖擊，其結(jié)構(gòu)如圖27所示。中科院電子所基于電磁驅(qū)動原理提出了一款MEMS陀螺(見圖28)，在仿真條件下該陀螺可承受10 000g過載[53-54]。

圖26 中電26所設(shè)計的圓弧臺階結(jié)構(gòu)

圖27 上海微系統(tǒng)所研制的MEMS陀螺

圖28 中科院電子所設(shè)計的MEMS陀螺

4 MEMS陀螺抗高過載設(shè)計方法與應(yīng)用思路

綜合分析國內(nèi)外抗高過載MEMS陀螺的研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，目前研制的抗高過載MEMS陀螺在高過載環(huán)境下性能會出現(xiàn)下降，因此，抗高過載MEMS陀螺仍需進(jìn)一步研究。

4.1 抗高過載設(shè)計方法

以目前已有的各類MEMS陀螺在高過載條件下的失效模式為突破點(diǎn)，從元器件設(shè)計的角度出發(fā)，針對性地改進(jìn)其設(shè)計方法，可有效提高M(jìn)EMS陀螺的抗高過載特性[8]。

4.1.1 改變MEMS陀螺的驅(qū)動-檢測方式

目前大部分MEMS陀螺的驅(qū)動-檢測均采用梳齒電容方式，但梳齒電容在高過載條件下易發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂和貼合黏附而導(dǎo)致陀螺失效，因此，可采用如電磁、磁阻效應(yīng)等檢測原理的方式替代梳齒電容檢測方式[39]。

4.1.2 改變MEMS陀螺的工作模態(tài)方式

目前大部分MEMS陀螺采用基于線振動的工作方式，而實驗數(shù)據(jù)表明，采用四波腹振型模態(tài)工作方式的陀螺在高過載狀態(tài)下性能退化現(xiàn)象優(yōu)于采用線振動工作方式的陀螺，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，相位信息對沖擊造成的線位移幾乎不敏感。因此，可采用四波腹振型模態(tài)的工作方式代替目前的線振動工作方式[32,44-55]，提高M(jìn)EMS陀螺抗高過載沖擊性能。

4.1.3 改變MEMS陀螺的結(jié)構(gòu)材料

研究發(fā)現(xiàn)，碳化硅等新型材料的抗高過載性能優(yōu)于傳統(tǒng)的硅材料，因此可采用碳化硅等新材料替代硅材料制造MEMS陀螺，以達(dá)到提升其抗高過載特性的目的。

4.1.4 采用“單元-組件-整機(jī)”的多級抗過載防護(hù)技術(shù)，并增加合理的吸能和釋能結(jié)構(gòu)

在微慣性測量單元(MIMU)、外圍電路組件、陀螺整機(jī)外殼等層面分別采用一定的抗過載防護(hù)技術(shù)，并增加適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)以吸收和釋放由于高過載而產(chǎn)生的能量，從而提高M(jìn)EMS陀螺的抗高過載能力[55-56]。

4.2 抗高過載應(yīng)用思路

對于實際工程問題，技術(shù)人員更關(guān)注如何利用已有的MEMS陀螺來實現(xiàn)抗高過載的應(yīng)用，而不是重新設(shè)計制造一款全新的MEMS陀螺。因此，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，采用如圖29、30所示的思路可以實現(xiàn)現(xiàn)有MEMS陀螺抗高過載的工程應(yīng)用。

圖29 選擇滿足要求的MEMS陀螺思路

圖30 MEMS陀螺多參量模型

由圖29可見，從現(xiàn)有具有一定抗高過載能力的MEMS陀螺中，利用高過載條件下的力學(xué)仿真初步挑選出滿足抗高過載要求的陀螺結(jié)構(gòu)，進(jìn)行沖擊試驗驗證，最終選擇出滿足要求的MEMS陀螺?；谠揗EMS陀螺的誤差機(jī)理和已有試驗數(shù)據(jù)，分別利用溫度試驗、速率轉(zhuǎn)臺試驗和沖擊試驗進(jìn)行靜態(tài)環(huán)境分析、動態(tài)環(huán)境測試和高過載條件分析與測試，建立其零偏溫度模型、標(biāo)度因數(shù)模型和高G模型，并結(jié)合振動、隨機(jī)分析與測試建立其濾波模型，得到該MEMS陀螺的多參量模型[57-58]。在某一具體的高過載環(huán)境中，利用MEMS陀螺的多參量模型，設(shè)計對應(yīng)的補(bǔ)償算法，對高過載條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，最終得到滿足工程要求的高質(zhì)量數(shù)據(jù)(見圖30)。

5 結(jié)束語

本文從高過載條件下MEMS陀螺角度出發(fā)，介紹了典型的高過載環(huán)境和MEMS陀螺在高過載環(huán)境中的響應(yīng)類型，分析了高過載條件下MEMS陀螺的失效模式，歸納了目前國內(nèi)外抗高過載MEMS陀螺的研究進(jìn)展，進(jìn)一步凝練出MEMS陀螺抗高過載的設(shè)計方法和應(yīng)用思路，為其早日應(yīng)用提供參考。