微机械惯性器件

    1　引言

    微机械惯性器件目前已成为国外研究的热点,并开始引起国内惯性技术及微电子技术领域的广泛关注。微机械惯性器件的突出特点是价格低、可靠性高、尺寸小、重量轻。特别引人注目的是采用了固态电子工业开发的微电子加工技术,能以低的劳动强度进行大批量重复生产,这是目前其他惯性器件所不具备的,也是人们孜孜以求希望解决的。

    微机械惯性器件性能可达到中等精度,能满足大量战术武器的使用要求,可构成微小型低价格的GPS组合惯性导航定位系统。同时,在民用领域如汽车工业、通用航空、医疗电子设备等方面有广泛的市场。

    80年代中期以来,美、日等先进工业国家先后用硅、石英晶体和铌酸锂单晶等材料制造出微机械惯性器件。其中微机械振动陀螺已被验证的性能约为20～100 (°)/h,基尔福特公司的微机械加速度计偏置稳定性已达2×10^-5～3×10^-5m/s²(1σ),罗克威尔公司利用塞斯特朗·唐纳惯性分公司的石英音叉陀螺(QRS)和石英振梁加速度计(VQA)构成的数字石英惯性测量组合(DQI)已达到1(°)/h的精度,这种DQI已达到实用要求,陀螺的性能可与小型环型激光陀螺和光纤陀螺相比而造价却便宜得多。

    微机械惯性器件是微机械加工技术和振动惯性技术相结合的产物,利用我国振动惯性技术的优势和微电子加工技术的基础,尽快投入力量开展微机械惯性器件的研究已刻不容缓了。

    2　微机械振动陀螺[1～13]

    微机械振动陀螺可采用多种分类方法。按激振原理可分为压电式、静电式和磁电式;按振动的方式可分为角振动微机械振动陀螺和线振动微机械振动陀螺及驻波振动微机械振动陀螺;按使用材料可分为石英微机械振动陀螺、硅微机械振动陀螺;按振动元件结构形式有振梁式、音叉式、框架式、圆环式、平面对称式等。另外,还有一种特殊的微机械振动陀螺,这就是微机械加速度计陀螺。

    美国德雷珀实验室从1989年起开始研究硅微机械振动陀螺,包括双框架结构、平面对称结构、梳状音叉结构、振动轮式结构,其有效尺寸均在1 mm以下。德雷珀实验室已封装、试验了200个不同型号的微机械振动陀螺,经受了8×10⁵m/s²的冲击和离心试验,零偏稳定性已达到20(°)/h(1σ),未来的目标是1(°)/h。试验结果表明,加大仪表体积和改善测量前置放大器,可以使仪表性能得到极大的改进。

    美国BEI电子公司塞斯特朗·唐纳惯性分公司约于1986年开始研究石英音叉微机械振动陀螺(QRS),用掩模刻蚀方法加工出双音叉振子。振子振动的激励和输出信号的敏感都是利用石英晶体的压电性。避免了复杂的结构。每个陀螺都有一个专用集成电路芯片,同时完成对温度、压力等环境变化引起误差的补偿,其精度为100～1 000(°)/h。QRS于1991年初投产,生产速率每月超过800只,主要用于导弹自动驾驶仪。使用QRS的WSC—6卫星天线稳定系统,已装备在美国海军、丹麦和荷兰的船上。利用罗克威尔公司的数字处理技术,QRS的精度达1(°)/h。在-55°C和+75°C两种条件下测试,QRS获得了0.088(°)/h的角度随机漂移,这种性能可与小型环型激光陀螺和光纤陀螺相比,而造价却便宜得多。