西安试验箱高精度控制与环境试验仪器共辉煌

 惯性技术在实施精确打击中的特殊地位惯性技术是为武器系统定向导航的关键技术。以陀螺仪、加速度计等惯性器件、惯性测量、惯性导航和惯性制导为主要研究内容的惯性技术,是用来实现载体姿态和轨迹控制的完全自主式的工程技术。在现代航天技术中,惯性技术对实施精确打击有着特殊的地位。大量精确制导武器依靠机载惯性系统的精确定位、弹载惯性制导的精确导引和末制导的精确瞄准。在各种导航系统中,惯性导航/制导系统是可信赖、完全自主式的导航/制导系统。完全自主的惯性系统具有抗干扰能力,无论是精确导航和定位、武器制导和瞄准,还是在防区外精确打击,惯性系统都发挥了保障作用,甚至是关键作用。在当今现代化高技术战争中,惯性技术对武器系统实施精确打击有着不可替代的特殊地位。
新世纪我国面临着祖国统一、保卫南沙和抵制美国干预等复杂的国家安全问题,导弹武器精确制导对惯性技术提出了更高的要求。必须加强国防建设,为打赢一场高技术条件下的局部战争作好一切准备。未来战争是核威慑条件下的信息化战争。根据这一战争特点,必须重点发展精确制导武器,实现中远程精确打击和非接触作战;大力提高防空、反导、突防、电子和信息作战体系,加强局部作战区域的制空、制海和制电磁权的作战能力。惯性技术是加强武器系统和提高作战能力的关键技术。2　国外惯性技术的研制现状及趋势军事需求和电子技术的发展,促进了惯性技术的发展,惯性技术的发展又取决于惯性器件的发展。从目前国外惯性导航与制导系统发展和应用来看,惯性器件的发展大致分为机电陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪和微机电惯性仪表四个阶段。 国外液浮、气浮、静电和动力调谐陀螺仪的技术非常成熟,应用非常广泛。目前美国静电陀螺仪随机漂移优于0.001(°)/ｈ,液浮陀螺仪随机漂移为0.001(°)/ｈ,动力调谐陀螺仪随机漂移为0.006(°)/ｈ。在航天与导弹应用方面,德国和法国以挠性陀螺组成的平台和捷联系统应用为主。美国以挠性和液浮陀螺组成的平台和捷联惯导系统应用为主。美国和法国的激光陀螺技术已应用到航天、航空上,多数组成捷联惯导系统。零偏稳定性优于0.01(°)/ｈ。由于对机电陀螺仪的许多误差项不敏感,并且动态活动范围大,从0.01(°)/ｈ～1000(°)/ｓ,因而激光陀螺仪适用于捷联惯导系统。与动力调谐陀螺仪、液浮陀螺仪和静电陀螺仪的应用比例相当。光纤陀螺仪是捷联惯导系统的最佳惯性器件。由于易于集成化,成本可大大降低,因而有很强的竞争力。三轴化、集成化、数字化、模块化是光纤陀螺仪的发展方向。光纤陀螺仪已在美国、德国和日本等国广泛应用。随着世界经济与科技的高速发展,在信息、生物、航空、航天和环境控制等领域里不断提出微米化,甚至纳米化的更高要求。这一新的微纳米技术必将导致人类认识和改造世界的能力产生重大突破。微米技术已在惯性技术领域得到发展和应用。80年代以来,美国、日本和西欧一些国家十分重视微米、纳米技术的研究与发展。美国德雷伯实验室于20世纪80年代末首先研制出一种新型微硅振动陀螺仪,其漂移已达10(°)/ｈ,近期可接近1(°)/ｈ的实用阶段。目前悬臂梁式可以做到偏置稳定性0.1ｍｇ以下,量程100ｇ,标度因数误差0.01%。微硅惯性器件属低成本、中低精度范围,在军民两用技术方面将有广阔的市场。激光陀螺仪和光纤陀螺仪是新一代的惯性器件激光陀螺仪是利用光程差来测量旋转角速度(Ｓａｇｎａｃ效应)。在闭合光路中,由同一光源发出的沿顺时针方向和逆时针方向传输的两束光合光干涉,利用检测相位差或干涉条纹的变化,可以测出闭合光路旋转的角速度。激光陀螺仪的漂移表现为零偏的不稳定度。主要误差来源有:谐振光路的折射系数具有各向异性,氦氖等离子体在激光管中的流动、介质扩散的各向异性等。为减少漂移,应采取的措施有:稳定激光器的放电电流、在结构设计中尽量减小温度梯度、控制反射镜的平移和转动以及合理设置模态控制光阑,抑制不需要的横模振荡,以减小损耗等。这些需要增加激光陀螺仪的多点温度测量等。激光陀螺仪的噪声表现在角速度测量上。目前多数激光陀螺仪采用偏频技术,在抖动运动变换方向时,抖动角速度较低,在短时间内,低于闭锁阈值,这时将造成输入信号丢失,并导致输出信号相位角随机变化。闭锁阈值将影响激光陀螺仪标度因数的线性度和稳定度。闭锁阈值取决于谐振光路中的损耗,主要是反射镜的散射损耗。提高反射镜的质量是提高激光陀螺仪精度的技术途径。目前高精度激光陀螺仪要求反射镜的反射率优于99.95%,散射率为0.01%～0.02%。标度因数的稳定度取决于闭锁阈值的大小。为了提高激光蛇螺仪的精度,需要采取速度偏频技术。现在,激光陀螺仪已广泛用于民用飞机和军用直升机,开始取代动力调谐陀螺仪(ＤＴＧ)。
经过20多年的研究和开发,光纤陀螺仪发展很快,和激光陀螺仪一样,已能批量生产。高精度光纤陀螺仪的零偏稳定性已到0.00038(°)/ｈ。国外光纤陀螺仪的应用领域很广泛。在中高精度姿态方位参考系统(ＡＨＲＳ)和捷联式惯导系统(ＳＩＮＳ)中,光纤陀螺仪和激光陀螺仪占有重要位置。随着光纤通信技术和光纤传感技术的发展,许多惯性技术专家预言,传统的机电式陀螺仪将在21世纪初被激光陀螺仪取代,光纤陀螺仪又将取代激光陀螺仪。美国利顿公司的0.1(°)/ｈ的光纤陀螺仪已用于战术导弹的惯导系统,并且已批量生产采用光纤陀螺仪的姿态航向参考系统(ＡＨＲＳ)。杭尼韦尔公司已经生产出用于波音777飞机和道尼尔飞机上的光纤陀螺仪。新型导航系统ＦＮＡ2012采用了1(°)/ｈ的光纤陀螺仪和卫星导航ＧＰＳ。日本航空电子公司(ＪＡＥ)生产的光纤陀螺仪,已用于遥控直升机、足球场用的剪草机和机器人。三菱公司生产的几种型号的光纤陀螺仪已用于发射运载器,并且已计划用于飞向月球的运载火箭。日本日立公司月产3000台光纤陀螺仪,若月产100万台,成本将降低到每台100美元。美国德雷伯实验室在研制光纤陀螺仪(干涉仪式)的过程中,采用了三项技术:采用模块技术(把光源、探测器和前置放大器制成一个模块);采用无骨架绕制光纤环圈的技术(光纤传感环圈的结构对光纤陀螺仪的精度影响很大);采用集成技术(多功能集成光学器件)。
美国专家认为再过五年,惯性级干涉仪式光纤陀螺仪可取代动力调谐陀螺仪(ＤＴＧ);再过十年,将会取代激光陀螺仪(ＲＬＧ)。惯性级干涉仪式光纤陀螺仪(ＩＦＯＧ)的难点是需用1ｋｍ长的保偏光纤,如改用谐振腔式光纤陀螺仪(ＲＦＯＧ)方案,则光纤长度可减为10ｍ左右。为此,谐振腔式光纤陀螺仪仍在作为研制方向。使光纤陀螺仪小型化的谐振腔式光纤陀螺仪的难点是:控制电路比干涉仪式光纤陀螺仪复杂。随着数字控制技术的发展,将来有可能得到满意的解决,使谐振腔式光纤陀螺仪成为产品。采用干涉仪式和谐振腔式混合方案的光纤陀螺仪具有良好的发展前景。光纤陀螺仪由于是无活动部件的惯性器件,因而是捷联惯性制导系统的最佳惯性器件。由于易于批量加工,成本可大大降低,因而有极强的竞争力。目前,光纤陀螺仪已在美国、德国和日本等国广泛应用。如德国已用在航姿基准、无人驾驶飞机和导弹控制系统以及汽车的定位定向系统。美国已用在航向姿态基准、惯性测量装置等,日本用在火箭姿态控制和石油钻井测量系统上。光纤陀螺仪正在扩展应用。捷联惯导系统的发展以激光陀螺仪捷联系统为重点,同时研制光纤陀螺仪捷联惯性制导系统。随着光电技术、光纤传感技术的发展,激光陀螺仪、光纤陀螺仪以及捷联惯性制导技术将迅速发展。发展我国的激光陀螺仪捷联惯导系统,可以采取引进与国内研制相结合,预研与型号研制相结合的措施。以三轴激光陀螺仪组成的中精度捷联惯导系统为基本型,发展小型化、高动态的激光陀螺仪捷联惯性制导系统,发展高精度激光陀螺仪捷联惯性制导系统,以满足型号的需求。
微机电惯性仪表将根本改变惯性技术的面貌微机电系统(ＭＥＭＳ)是20世纪80年代后期才发展起来的一种新型惯性系统,它由硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成,具有显著的尺寸小、质量轻、成本低、可靠性高、抗振动冲击能力强,以及易批量生产等优点。1988年,美国德雷伯实验室研制出第一台框架式角振动微机电陀螺仪,1993年又研制出性能更好的音叉式线振动陀螺仪,此后这种技术受到各国的重视,纷纷投入人力财力,积极开发。微机电系统的关键技术是研制微机电惯性仪表。微机电惯性仪表主要应用于军事领域。高可靠性、小体积和抗恶劣环境的能力使其广泛用于战术导弹、炮弹的惯性导航系统,另一个主要应用领域是汽车领域。卫星组合导航是一种重要的导航方式,但这种方式只能间隔地得到位置的信息,而且地面建筑物、山脉和隧道更延长了这种间隔,所以很需要一种辅助导航系统来提供间隔内的位置信息,而这种成本较低的新型惯性仪表使导航系统能够比较经济地应用于汽车工业,零位误差可通过地图或ＧＰＳ的信号来校准。低成本使得它将越来越广泛地应用于一些较复杂的电器中。例如,在高级摄像机的稳定补偿系统中,来自水平和垂直偏转角速度传感器的信号可用来稳定摄像机内的机械平台,也可用来移动ＣＣＤ图像,以达到补偿目的。玩具、游戏机和体育设施将是这种廉价的角速率测量装置的又一个巨大的市场。
微机电惯性仪表的工作原理是:质量快(敏感元件)在激励模态下振动,沿垂直于振动方向的对称轴施加角速度,在哥氏力的作用下,质量块将在三维空间的另一方向上以敏感模块同频率振动,幅度与角速度大小成正比,相位与角速度方向有关。从敏感模态的振动可以知道角速度。有四种不同的激励与检测方式和结构型式。静电激励、电容检测方式,电磁激励、电容检测方式,压电激励、电容检测方式和电磁激励、压敏电桥检测方式。在静电激励、电容检测方式下,质量块的振动有角振动式和线振动式两种。1988年德雷伯实验室研制出框架式角振动惯性仪表。它没有高速旋转的惯性仪表转子,有绕挠性枢轴高频率振动的部件。惯性仪表由内外两层框架组成,在外框架和内框架的上下方安装电极来施加力矩和敏感角速度。内框架上有垂直质量块,外框架在交变静电力驱动下绕枢轴振动,每个框架通过一组正交的枢轴连接在一起。当外框架以小角度振动时,内框架就能敏感绕框架平面法线的角速度。这时,内框架的输出信号频率与外框架的振动频率相同,而幅值与输入角速度成正比,相位与输入角速度的方向有关。陀螺外框架运动的测量和控制是由两个隐式电极完成。架由两个桥式电极测量和控制。惯性仪表工作在力矩反馈状态,通过静电力矩保持惯性仪表平衡位置。测量和施加平衡力均采用同一对电极,但两者的供电频率不同。微机电惯性仪表有7个控制回路:惯性仪表谐振器回路、频率控制回路、外框架振幅和倾斜控制回路、内框架倾斜和Ｑ值控制回路、以及温度控制回路。它们再平衡内框元件,以减小框架不正交和内框元件不平衡的影响。输出角速度信号电压与克服内框元件惯性仪表力矩所需要的静电平衡力矩成正比。这种闭环控制方式使得外框架振动幅度的增加不受交叉耦合作用的影响,提高了输出信号的信噪比。微机电惯性仪表芯片尺寸为0.6ｍｍ×0.3ｍｍ×0.003ｍｍ,预计漂移优于10(°)/ｈ,目前已达到50(°)/ｈ,适用于短时间导航。德雷伯试验室的第一台音叉式线振动惯性仪表仪(ＴＦＧ)于1993年5月研制成功。它采用单晶硅梳状结构产生静电力驱动音叉。整个惯性仪表采用双层结构。两个质量片通过8根挠性梁联结成一个整体,三个支撑点将这个整体支撑起来,与下面的玻璃基片间保持一定的间隙,两个质量片与其下面基片上的两个电极各形成一只电容。其工作原理为:当音叉在平面内以音叉模态(两质量片速度方向相反)振动时,如果基片在振动平面内沿垂直于振动速度的方向有惯性角速度Ω出现,那么,在哥氏力的作用下,音叉的一个质量片向上运动。另一个质量片向下运动。两质量片与下方的电极形成一对差分电容,电容的变化量与角速率的大小成正比。这种差分运动产生增强的陀螺信号,同时不敏感线加速度。
 折叠式悬臂架保证音叉(反平行)模态激励,而平移模态衰减。音叉模态的特征频率高于平移模态的特征频率。特征频率使得音叉模态即使在质量和弹簧失配的条件下,也容易得到激励。音叉的谐振频率随温度、时间、应力或压力偏移,但音叉工作在自激振荡回路中,这就保证了不管环境干扰如何,惯性仪表始终工作在谐振状态,从而限制了外部频率源。惯性仪表的检测电路为开环方式。日本村田制作所于1995年9月研制的谐振器微机械陀螺仪采用多晶硅为材料,采用面加工方法,长为800μｍ,宽400μｍ。采用离子铣削技术改变两种振动模态的固有频率之差,以提高惯性仪表的灵敏度。测试结果为:在小于0.1Ｐａ压力条件下,激励模态和检测模态的Ｑ值分别为2800和16000,输出灵敏度为50ｍＶ((°)/ｓ),等效噪声速率为2(°)/ｓ。下一步将通过改进加工技术、结构设计技术及电子线路的性能进一步提高惯性仪表的性能。日本东北大学1994年研制出采用音叉式线振结构的微机电陀螺仪。它采用玻璃—硅—玻璃三层结构,音叉的两边通过挠性棒悬浮起来,硅层的上下各有一层玻璃,永久磁铁粘贴在玻璃上,合理选择磁性使得两质量片分别处于方向相反的磁场中。两层玻璃上分别有金属电极用于敏感质量片的上下振动。为了控制质量片在水平方向的振动,两质量片的外侧有谐振检测极。当有电流流过时,处于相反方向磁场中的两质量片受到相反的洛仑兹力ＦＬ,于是两质量片就以音叉模态振动。当沿Ｘ轴有角速率输入时,沿Ｚ方向的哥氏力使得两质量片上下振动,振动的幅度正比于外加的角速率。惯性仪表的长和宽均为20ｍｍ,硅层厚度200μｍ,两层玻璃厚度均为250μｍ。初步测试结果为:5ｍＴｏｒｒ真空度下激励模态的谐振频率为470Ｈｚ,品质因数Ｑ值为100,检测模态的谐振频率为400Ｈｚ,Ｑ值为20。在不同驱动频率下进行检测,其中当驱动频率为激励模态的谐振频率470Ｈｚ,5ｍＴｏｒｒ真空条件下时,机械耦合最小,灵敏度最高,为0.7ｆＦ/((°)/ｓ)。瑞士Ｎｅｕｃｈａｔｅｌ大学的微结构技术研究所于1998年研制成的电磁激励压敏电桥检测方式的陀螺采用音叉结构,两个质量片由四根挠性梁悬浮起来,粘贴在质量片上的四个压敏电阻接成惠斯通电桥来检测惯性仪表效应。测试表明:两个质量片的谐振频率匹配得很好。惯性仪表的灵敏度随尺寸的加大而提高。微机电陀螺仪是近年来才出现的新技术,它是陀螺技术的发展趋向。随着微机械加工技术的发展,惯性仪表的各方面性能将迅速大幅度地提高,并将在更广泛的领域内代替传统的惯性仪表。
       微机电振动陀螺仪的振子结构设计成具有相互正交的驱动/检出模态。而且两模态的谐振频率越接近,越能高灵敏度地检出哥氏力。测量了试制微机电振动陀螺仪振子的振动及其频率,并与仿真的预测结果进行了比较。另外,评价了振子的驱动/检出的Ｑ值(品质因数)与压力的关系。驱动的Ｑ值对驱动振幅有影响,检出的Ｑ值对哥氏力的检出灵敏度有影响。通过研究Ｑ值与压力的关系可以推测微机械振动陀螺仪工作的压力范围。振子的位移是用激光相差干涉法测量的。用该位移计测量基板垂直方向的位移时,对基板垂直照射激光;测量基板面方向的位移时,斜向照射两束激光。因为测量对象很微小,在位移计上要装备放大观察测量位置的显微镜等。激光照射点的直径用透镜聚焦到10μｍ左右。微机电振动陀螺仪的振子受周围气体阻尼的影响严重。尤其是作用于检出的挤压阻尼使振子的面积扩大,基板与振子之间的间隙变小,对结构的影响很大。由振动特性评价结果可知,利用表面微机械加工制成的微机电振动陀螺仪具有仿真预测的振动特性,受周围气体阻尼的影响很大。驱动/检出的Ｑ值在0.1Ｐａ以下压力饱和,其值分别为2800和16000。尤其是检出受挤压阻尼的影响很大。根据检出Ｑ值与压力的关系可以推测微机电振动陀螺仪高灵敏度工作的压力范围。
   微机电隧道式加速度计美国已研制出一种超小型、表面微处理的隧道式加速度计,它在提供低偏置电压(20Ｖ～60Ｖ)工作和宽动态范围的同时,具有相同的位移灵敏度。在低温下(<200℃)完成低成本批生产加工,以使隧道式加速度计可以直接集成到以前生产的ＣＭＯＳ晶片上,而不损坏现有的晶体管器件。因为用于这些微型器件的偏置电压存在的漏电现象可以忽略,所以在ＣＭＯＳ中可以使用一简单的电路来产生所需的偏置。设计包括含有三个电极的简单悬臂梁,三电极分别为:控制电极、自测电极和隧道式顶部电极。控制电极使悬臂梁偏转至隧道位置处。在特殊设计中,在低于20Ｖ电压工作时,悬臂梁和控制电极间的非偏转空间可以小于1μｍ,但不管怎样,在初加工时,运用1.5μｍ的悬臂间隙空间,以保证高产量。在尺寸范围为250μｍ～100μｍ之间的悬臂梁上的偏置电压Ｖ0相应为20Ｖ～60Ｖ之间。这些器件的性能参数主要由悬臂梁的机械设计确定。用调节悬臂梁长度、宽度、厚度、质量和机械系数Ｑ的方法来确定性能。调节封装在仪器内的压强也可确定最佳性能。低压工作可改善系数Ｑ,并降低噪声,而高压则带来机械阻尼。另外,因为用于这些微型器件的悬臂梁的质量为1μｇ;或更少,所以只有超过最大范围几百ｇ的过载加速度才会损坏顶部。用于隧道式加速度计的控制电极与标准伺服电路相连,用来进行自动开、关操作。伺服控制维持一恒定缝隙。隧道电流(典型值为1ｎＡ)及输出信号ΔＶ0为控制电压误差信号,它在承受加速度时确保悬臂梁在一固定隧道位置。
微机电惯性测量组合的技术途径德雷伯试验室1990年研制的整块式硅加速度计采用扭杆支承平板的结构,平板的尺寸为300μｍ×600μｍ×3μｍ。试验质量位于平板的一端,由蒸镀金属制成。在垂直于平面的加速度作用下,平板倾斜。传感器是平板与基片之间形成的一对差动电容,它们由100ｋＨｚ载波信号激励,从极板输出的电流经过放大和相敏检波作为反馈信号加给力矩器电容极板,产生静电力,使得平板的转角回到零位。力矩器电容极板的平衡电压是加速度的闭环度量。样机经过分度头试验,零偏稳定性为260μｇ,标度因数为7.3Ｖ/ｇ,其重复性为480ｐｐｍ。美国利顿公司、德国利铁夫公司、瑞士Ｎｕｃｈａｔｅｌ大学,以及日本日立公司和东北大学采用体加工方法,分别研制成功μｇ级高精度微机电加速度计。传感器为玻璃—硅—玻璃或硅—硅—硅“三明治”结构。利顿公司的芯片尺寸8.3ｍｍ×5.5ｍｍ×1.3ｍｍ,挠性梁的厚度5μｍ,双边电容气隙7.5μｍ。检测电路采用交流电容电桥和闭环静电力再平衡回路。试验结果表明,零偏稳定性小于250μｇ,标度因数稳定性优于1000ｐｐｍ。利铁夫公司的摆片采用四次双面掩蔽,在ＫＯＨ溶液中控制时间刻蚀(100)硅片制造而成。其面积为6ｍｍ×6ｍｍ。电子线路采用脉冲调宽数字输出,闭环控制方案。量程为±10ｇ,标度因数稳定性300ｐｐｍ,零偏稳定性250μｇ。这种微机械加速度计已经于1995年与Ｉ ＦＯＧ组合成ＩＭＵ,用于车辆导航。Ｎｅｕｃｈａｔｅｌ大学的目标是用于空间飞行器,因此,它的量程为±0.1ｇ,分辨率在1Ｈｚ时小于1μｇ。摆片尺寸为4ｍｍ×4ｍｍ×0.37ｍｍ。悬梁厚度11.5μｍ,长度4ｍｍ,宽度1ｍｍ。电容电极间隙7μｍ。电路采用自平衡开关电容电桥。采用这种电容平衡桥,其输出电压正比于摆片的偏移。0Ｈｚ～1Ｈｚ带宽的电容分辨率为0.04ｆＦ,这样可以保证在±0.1ｇ量程条件下,检测μｇ级的加速度。德国Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ微结构技术研究所1993年在Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ原子能研究中心,加工了一种高精度加速度计。后来在1995年又增加了温度补偿电极。悬梁厚10μｍ,电容电极间隙4μｍ,零加速度时的电容量为2×5ｐＦ。该加速度计采用交流电容电桥测量法。试验结果:量程±1ｇ,标度因数2.7Ｖ/ｇ,频带400Ｈｚ/3ｄＢ,分辨率1μｇ/Ｈｚ,动态范围110ｄＢ。美国加利福尼亚理工学院的ＪＰＬ实验室研制了一种基于隧道电流的小型高灵敏度宽频带加速度计。这是一种双元件硅微机械加速度计,芯片外形尺寸13ｍｍ×13ｍｍ。试验质量为50ｍｇ到260ｍｇ,由硅弹簧片支承。高频梁厚4μｍ,长0.7ｍｍ。宽带悬梁在反馈静电力控制下,紧随试验质量运动。反馈回路频带大于10ｋＨｚ。加速度计的信号由反馈回路导出。试验结果表明,在低频段,标度因数近似为105Ｖ/ｇ,在600Ｈｚ时,下降为1300Ｖ/ｇ。测量噪声电平从4Ｈｚ～10Ｈｚ为10-7ｇ/Ｈｚ,在400Ｈｚ时,为6×10-7ｇ/Ｈｚ。在70ｄＢ动态范围内,线性度优于1%。
 微机电惯性测量组合德雷伯试验室1994年研制成微机电惯性测量组合,它由六个传感器组成,包括三个微机械陀螺仪和三个微机械加速度计,配置在立方体的三个正交平面上。陀螺零偏稳定性为10(°)/ｈ,加速度计零偏稳定性为250μｇ。整个微惯性测量组合的尺寸为2ｃｍ×2ｃｍ×0.5ｃｍ,质量约5ｇ。微机电惯性测量组合的电子线路由三部分组成:传感器电路组件、转换电路组件和数据处理组件。最终目标是将所有功能模块集成在一块硅片上。每一个惯性仪表都有专用集成电路并产生相应的输出,送给微处理器进行数据处理产生导航信息。当高密度封装和数字控制技术更新设计以后,陀螺仪的性能可达10(°)/ｈ的零偏稳定性和±100(°)/ｓ的量程,加速度计的性能为100μｇ的零偏稳定性和±100ｇ的量程,工作温度为40℃～85℃。可实现完全小型化的微机电惯性系统。此外,洛克韦尔公司休斯研究实验室为埃格林空军基地研制了高级战术ＭＩＭＵ,其中加速度计采用面加工单悬臂梁隧道电流传感器,噪声电平已达8.5×10-5ｇ/Ｈｚ,动态范围超过104ｇ。并且,在此基础上,正在研制隧道电流微机电陀螺仪,当50Ｈｚ带宽时,分辨率为1(°)/ｈ。
 各国在发展微机械惯性测量组合方面,存在着不同的技术方案和途径。下面从低精度应用场合、军民两用的目标出发,对几种技术途径作一比较。微机电陀螺仪和微机电加速度计的微结构加工,有三种不同的基本工艺。第一种是面加工工艺,其工艺过程相对比较简单,是在基片上淀积或生长多晶硅层来制造微机械结构。这与ＩＣ工艺兼容,可以将传感器和集成电路做在一个基片上。体积小,成本低。但是,采用面加工工艺制造的仪表,试验质量比较薄,约为2μｍ,面积也比较小,约为300μｍ×300μｍ,仪表的分辨率和灵敏度都有限。第二种是体加工工艺,其基础是单晶硅刻蚀技术。传感器通常为玻璃—硅—玻璃或硅—硅—硅多层“三明治”结构,中间层的硅微机械结构经过多次掩蔽、双面光刻以及各向异性刻蚀而成。然后与上下层精密对准、阳极焊接成一整体。最后采用倒装工艺完成与集成电路的组装。因此,体加工工艺过程比面加工的要复杂,体积大,成本高。但是,它具有面加工所没有的优点,即所产生的微结构材料为单晶硅,机械性能好;仪表的分辨率和灵敏度高;微结构的厚度可达20μｍ,减小了交叉干扰灵敏度。总之,采用体加工工艺生产的仪表的性能好。第三种是ＬＩＧＡ加工工艺,即Ｘ光同步辐射光刻、电成型及微压塑工艺。采用这种方法可以制造大高宽比的可活动微结构,结构材料可以是金属。它所得到的微结构机械性能好,传感器灵敏度高。不过,ＬＩＧＡ工艺需要同步辐射光源,因此,使用起来会受到一定限制,成本自然比硅微机电结构工艺昂贵。为了满足军民两用惯性仪表的性能要求,表面工艺尚不能获得足够的精度。采用ＬＩＧＡ工艺的条件尚不成熟。目前,应选用ＳＯＩ基片工艺这一技术途径比较合适。加速度计和陀螺仪都必须有检测位移的信号器。被检测的位移范围为0.1μｍ～1μｍ。信号器最重要的性能参数是测量噪声,噪声电平决定了信号器的分辨率。其次是灵敏度,它定义为单位输入(位移)变化量所引起的输出(电流或电压)变化量。第三是工作稳定性,包括温度稳定性和时间稳定性等。最后是线性度。由于加速度计和陀螺仪都采用静电力再平衡伺服回路,因此,信号器的线性度不是主要的。当前使用的信号器主要有下列四种:压阻式传感器、电容式传感器、隧道电流传感器和动栅式场效应管等。压阻式传感器比较简单,其优点是输出阻抗低,但灵敏度也低。电容传感器灵敏度高,热漂移小,温度稳定性好。但是,电容传感器的变换电路复杂,易受电磁干扰。隧道电流传感器的分辨率和灵敏度都很高。动栅式场效应管将电容传感器与场效应管的栅极做在一起,消除了电容传感器的分布电容和前置放大器的输入电容的影响,因此,灵敏度比电容传感器高。由于动栅与源、漏极之间存在分布电容,噪声强度会增加,而且温度稳定性降低。无论是采用何种传感器方案,通常都使用力平衡反馈回路,以提高检测的线性度、信噪比及量程。这时,静电力反馈方式是最合理的。压阻式传感器是难以实现反馈控制的,只有电容式和隧道电流式比较容易实现。微机电陀螺仪都采用振动工作原理,其中音叉式灵敏度较高。为使陀螺仪的灵敏度高,音叉振幅要求大。为使陀螺仪的标度因数稳定,振幅和频率都需要稳定。因此,研制恒幅、稳频的谐振驱动器是研制微机电陀螺仪的关键。目前驱动器的工作方式有两种:静电驱动器和电磁驱动器。静电驱动器利用静电场的吸力,使音叉产生振动。由于静电力与外加电压的平方成正比,为了产生交变力,供电电压必须由直流和交流两部分组成。电磁驱动器由导体中的交流电流与直流磁场相互作用产生的电磁力驱动。导体在磁场中振动将切割磁力线,产生阻尼力,因此,电磁驱动器的品质因数比较低,检测轴为20,驱动轴为100。而静电驱动器的品质因数高,检测轴为5000,驱动轴为40000。一般来说,微机电陀螺仪在谐振状态下工作,灵敏度与品质因数成正比。采用静电驱动器是比较优越的。发展微机电惯性测量组合,应选下列技术途径:采用面加工和体加工相结合的ＳＯＩ基片的工艺,并以此为基础设计仪表的微机械结构;采用电容式信号传感器和静电力再平衡伺服回路,测量加速度的惯性力或角速度的哥氏力。若需要检测0.1 以下的位移变化量,则可以考虑隧道电流式传感器;微机械陀螺应采用音叉式结构,其谐振驱动器应选用静电力驱动器,并结合相位—频率控制和幅值调节的反馈电路,以达到恒幅、稳频的音叉振动。
 惯性制导系统、惯性器件的发展方向组合导航系统是今后重点研究方向,而且应向多传感器组合导航系统发展。惯性/地形匹配组合导航除了提高惯性系统的制导精度外,还可以提高导弹的隐蔽性、机动性和安全性,提高导弹的突防能力。采用多传感器组合导航系统的研究是今后的发展趋势,会进一步提高远程飞航导弹的中制导精度,还可大大提高导弹的灵活性、安全性和准确性。惯性系统的发展主要取决于惯性器件。5.1　激光陀螺仪在目前情况下,激光陀螺仪是捷联惯导系统的最佳选择。为此,在动力调谐陀螺仪市场向光纤陀螺仪市场转变过程中,必须发展激光陀螺仪,快速满足国内对激光陀螺仪的需求,必须采取如下措施。引进激光陀螺仪生产工艺技术,在最短时间内形成生产能力是最佳途径;国内已有研飞航导弹制基础的研制单位,根据各家的预研基础实力和优势,采用优势互补的合作方式,走联合攻关的道路,确定可行的技术指标,迅速工程化。5.2　光纤陀螺仪目前能预测到未来捷联惯导系统的远景市场,无可争议地将被光纤陀螺仪占领,这是客观发展趋势。国际上光纤陀螺的发展现状足能证明这一预测。因此,我国必须增加光纤陀螺仪的研制经费,加快研制进度,缩小与国外先进水平的差距,抓紧研制工程样机,尽快进入导弹型号研制阶段;光纤陀螺仪代替动力调谐陀螺仪和激光陀螺仪全面占领市场。发展光纤陀螺仪的途径是:加强光纤器件的研制能力,以便研制出高质量的光纤陀螺仪;加大对光纤陀螺仪研制单位的投资力度,使总体研制单位尽快形成生产能力;千方百计争取引进国外先进技术。5.3　石英挠性加速度计目前已形成小批量产品,可满足国内平台和捷联惯导系统的应用。石英挠性加速度计应进一步商品化,同时进行特殊应用的开发研究。5.4　石英振梁加速度计由于石英振梁加速度计精度高、体积小、成本低,特别是直接数字输出等特点,显示了比石英挠性加速度计更好的优越性,预计近期石英振梁加速度计可以部分进入全数字化平台和捷联系统的研制中,并开始将逐渐取代石英挠性加速度计进入市场。今后应不失时机地大力投资石英振梁加速度计的研制,逐渐完善工艺设备,形成生产能力。同时引进国外样品研仿,加快研制进度,及早进入市场。
微硅陀螺仪和微硅加速度计微硅陀螺仪和微硅加速度计属中低精度范畴,可应用于近程导弹,在民品应用方面将有广阔的市场。近几年内,部分产品可进入应用阶段。随着科学技术的发展与当前国内外形势的需要,根据中央关于打赢一场高技术条件下局部战争的决策,未来的各种导弹将有飞跃的发展,导弹的发展离不开制导与控制技术的发展,特别是精确制导技术,它是发展导弹武器的关键技术之一。随着导弹武器的发展,对制导、控制技术的要求越来越高。惯性技术与控制技术的发展,对航天事业的发展具有重要的意义。各种导弹在未来的战争中将发挥越来越重要的作用,在近几年的局部战争中得到充分的验证,对我国国防现代化将起积极的作用。惯性技术在民用领域推广应用,必将促进我国国民经济的发展。
发展我国惯性技术的对策和建议采用引进国外与国内研制相结合的策略,要消化吸收国外的先进技术,迎头赶上,力争在较短的时间内惯性技术达到国际先进水平。
　    加大惯性技术研制的投资力度,加速关键技术的攻关进度。惯性技术是一项工程性很强的高技术,其关键技术中很多涉及工程应用中的难点,需要一批高精密加工和检测设备作为研究、试验手段。因此要加大投资力度,引进或研制一批关键设备,开展多种实验,以保证技术攻关取得成效。为了加快航天惯性制导技术的发展,建议加大对航天捷联惯性制导技术的投资力度;采取引进部分元器件、测试设备和进行关键技术研制相结合的途径;继续加强全国光电器件、光纤器件的研制与批量生产,以确保元器件的质量;尽快采取吸引、稳定航天高科技人才的特殊政策、实行高额岗位津贴等,以便适应新千年的形势要求,抓住机遇、迎接挑战,努力发展我国的航天技术,开创航天事业的新局面。

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