微半球諧振陀螺技術(shù)研究進展

石 巖，席 翔，吳學(xué)忠，肖定邦

（國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，長沙410073）

0 引言

精確定位與打擊是現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的核心要素之一。當(dāng)前，基于衛(wèi)星信號定位的制導(dǎo)武器已經(jīng)十分成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)米級精度的定位與打擊［1］。然而，衛(wèi)星信號極易受到干擾，短時間的衛(wèi)星信號拒止就會造成定位誤差的顯著增加，給制導(dǎo)武器的應(yīng)用帶來極大隱患。因此，提升武器裝備在衛(wèi)星信號拒止條件下的自主導(dǎo)航、定位與制導(dǎo)能力，對提升軍隊作戰(zhàn)水平具有重要意義。

慣性傳感技術(shù)利用敏感器件測量載體相對慣性空間的加速度與角度等參數(shù)，推算出載體的運動軌跡、運行姿態(tài)等信息，能夠在信號拒止條件下實現(xiàn)載體的自主導(dǎo)航與定位。高性能陀螺是慣性傳感的核心器件之一，以激光陀螺、半球諧振陀螺等為代表的高性能陀螺已在航海、航天、航空等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但隨著靈巧炸彈、無人平臺、單兵導(dǎo)航和微型衛(wèi)星等一系列新型武器裝備與作戰(zhàn)形式的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的高性能陀螺和基于微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技術(shù)的微陀螺難以在性能、體積、功耗等方面滿足上述應(yīng)用需求。

微半球諧振陀螺（Micro Hemispherical Resonator Gyroscope，μHRG）是近幾年興起的一種新型諧振陀螺，其核心優(yōu)勢在于利用了MEMS技術(shù)及新型制造工藝，實現(xiàn)了高性能微半球諧振結(jié)構(gòu)的制造。該技術(shù)既有望繼承傳統(tǒng)半球諧振陀螺精度高、壽命長等優(yōu)點，又兼具微型化的技術(shù)優(yōu)勢，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?011年，美國國防部高級研究計劃局 （Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）啟動了用于定位、導(dǎo)航和授時的微技術(shù)（Micro-technology for Positioning， Navigation and Timing，Micro-PNT）項目，將半球諧振陀螺技術(shù)列為其重點資助的高性能陀螺技術(shù)之一。目前，由密歇根大學(xué)研制的微半球諧振陀螺樣機的零偏不穩(wěn)定性為0.0103（°）/h， 已接近導(dǎo)航級精度， 是目前精度最高的微陀螺之一［2］。

1 工作原理

微半球諧振陀螺的敏感結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)對稱形結(jié)構(gòu)，通過位于結(jié)構(gòu)中心的錨點固定在結(jié)構(gòu)基底上，通常采用靜電驅(qū)動與檢測。其動力學(xué)模型可簡化為環(huán)形結(jié)構(gòu)，通過靜電驅(qū)動使敏感結(jié)構(gòu)諧振在n＝2的 “酒杯模態(tài)”。當(dāng)外部輸入沿軸向的角速率Ω后，振動中的敏感結(jié)構(gòu)受到哥氏力作用，其大小為

受哥氏力作用，敏感結(jié)構(gòu)上與驅(qū)動模態(tài)相隔45°的檢測模態(tài)被激勵出來。如圖1所示，在開環(huán)模式下，其振幅大小與輸入角速率Ω成正比，通過解算檢測模態(tài)的振動幅值可得到角速率Ω的值。

微半球諧振陀螺的技術(shù)優(yōu)勢在于：旋轉(zhuǎn)對稱的三維諧振結(jié)構(gòu)可用電極面積大，擁有很高的機械靈敏度，可作為速率陀螺和速率積分陀螺使用，以適應(yīng)高精度、高動態(tài)范圍等不同應(yīng)用的需求。同時，根據(jù)不同的制造工藝，諧振結(jié)構(gòu)材料的選擇更加多樣化。多晶金剛石、熔融石英等高性能材料的應(yīng)用，可進一步提升陀螺的理論極限性能，使實現(xiàn)導(dǎo)航級的MEMS陀螺成為可能。

圖1 微半球諧振陀螺的工作原理Fig.1 Operation principle of μHRG

同時，微半球諧振陀螺技術(shù)仍面臨以下主要挑戰(zhàn)：1）諧振結(jié)構(gòu)尺寸的顯著減小對諧振結(jié)構(gòu)的制造提出了更高要求，微小尺度下諧振結(jié)構(gòu)的品質(zhì)修調(diào)問題亟待解決；2）相比于傳統(tǒng)MEMS器件的平面結(jié)構(gòu)，微半球諧振陀螺的三維結(jié)構(gòu)在電極制造、器件集成等方面面臨著一定挑戰(zhàn)。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

微半球諧振陀螺制造技術(shù)的難點在于諧振結(jié)構(gòu)的成形加工，其目的是提升諧振結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)Q（Quality Factor）、降低頻率裂解，同時制造與諧振結(jié)構(gòu)匹配的電極。目前，國內(nèi)外發(fā)展出了各向同性刻蝕與沉積、玻璃熱膨脹加工和高溫噴燈吹制3種較為成熟的微半球諧振結(jié)構(gòu)加工工藝，其發(fā)展歷程與技術(shù)特點如下。

2.1 各向同性刻蝕與沉積

各向同性刻蝕與沉積工藝的基本方法是：首先在基底材料上用各向同性刻蝕加工出半球形凹模，然后在凹模表面沉積犧牲層和結(jié)構(gòu)層，通過去除犧牲層或凹模來釋放諧振結(jié)構(gòu)。圖2列出了近年來幾種典型的各向同性刻蝕與沉積工藝加工的微半球諧振結(jié)構(gòu)實物。其中，圖2（a）為科羅拉多大學(xué)在2014年利用原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）加工的 Al2O3微半球諧振結(jié)構(gòu)，其直徑約為100μm，殼體厚度為50nm，品質(zhì)因數(shù)Q為 1000～2000［3］； 圖 2（b）為佐治亞理工大學(xué)在2015年研制的多晶硅微半球諧振結(jié)構(gòu)，其直徑為1.2mm，殼體厚度為1μm，其電極和諧振結(jié)構(gòu)是同時制作的， 因此對準(zhǔn)精度較高［4］； 圖 2（c）為Draper實驗室在2014年利用化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition， CVD）加工的多晶金剛石微半球諧振結(jié)構(gòu)，其直徑為1.4mm，品質(zhì)因數(shù)Q最高達143000，初始頻率裂解最低可達7Hz。經(jīng)激光修型后， 頻率裂解可降至 0.3Hz［5］； 圖 2（d）為華東光電集成器件研究所采用電感耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma， ICP）刻蝕制造的多晶硅微半球諧振結(jié)構(gòu)，其最大半徑可達500μm［6］。此外， 加州大學(xué)戴維斯分校［7］、 猶他州州立大學(xué)［8］、Honeywell公 司［9］、南加州大學(xué)［10］、西北工業(yè)大學(xué)［11］等單位均對基于各向同性刻蝕與沉積工藝的微半球諧振結(jié)構(gòu)展開了研究，并制備出了諧振結(jié)構(gòu)樣機。

圖2 幾種典型的采用各向同性刻蝕與沉積加工的微半球諧振結(jié)構(gòu)Fig.2 Several typical micro hemispherical resonators fabricated by isotropic etching and deposition

在陀螺樣機制備方面，佐治亞理工大學(xué)在2015年利用其制備的多晶硅微半球諧振結(jié)構(gòu)［12］，在閉環(huán)條件下測得的標(biāo)度因數(shù)為8.57mV/（°）·s-1。 如圖3所示，蘇州大學(xué)在2017年利用各向同性濕法腐蝕工藝在硅片基底上得到了半球凹模，利用薄膜沉積工藝，以二氧化硅為犧牲層，制作了多晶硅微半球諧振陀螺，并進行了性能測試［13］。在0.004Pa的真空度下，陀螺的品質(zhì)因數(shù)Q為22000，初始頻差為10Hz， 零偏穩(wěn)定性為 80（°）/h。

圖3 蘇州大學(xué)研制的微半球諧振陀螺的結(jié)構(gòu)Fig.3 μHRG structure developed by Suzhou University

2.2 玻璃膨脹吹制

2007年，加州大學(xué)歐文分校通過在刻蝕有凹槽的硅片上鍵合Pyrex 7740玻璃，在高溫條件下使玻璃產(chǎn)生膨脹，加工出了半球形殼體結(jié)構(gòu)，驗證了利用玻璃吹制方法加工半球諧振結(jié)構(gòu)的可行性［14］。2012年，該校提出了諧振結(jié)構(gòu)和電極一體成形的加工方法，并制備出了諧振結(jié)構(gòu)樣機。2013年—2014年，該校在專用高溫爐上精確控制了爐內(nèi)溫度和保溫時間，采用材料性能更好的ULE TSG玻璃和熔融石英加工出了如圖4所示的直徑約為7mm的半球結(jié)構(gòu)，嘗試?yán)没瘜W(xué)機械拋光（Chemical Mechanical Polishing， CMP）［15］、 等離子體刻蝕和激光切割［16］的方式實現(xiàn)了諧振結(jié)構(gòu)的釋放。其中，等離子體刻蝕和激光切割釋放的一體化制造方法由于電極間隙過大，難以實現(xiàn)靜電驅(qū)動和頻率修調(diào)。采用CMP組裝式制造方法，利用金屬Ni作為犧牲層，實現(xiàn)了小于10μm的電極間隙［17］。靜電掃頻測試證實，頻率裂解最低可達到 1Hz 以下［16］。

圖4 圓片級玻璃熱變形加工的諧振結(jié)構(gòu)陣列Fig.4 Resonator array fabricated from wafer-level glassblowing

針對電極的位置和驅(qū)動方式，加州大學(xué)歐文分校提出了面外驅(qū)動、面外檢測的電極結(jié)構(gòu)，配合CMP釋放工藝提出了完整的加工流程，諧振結(jié)構(gòu)實物如圖5所示。諧振結(jié)構(gòu)邊緣與底面的平面電極間形成了面外驅(qū)動的電極，極大地簡化了諧振結(jié)構(gòu)的裝配。

圖5 加州大學(xué)歐文分校研制的微半球諧振陀螺樣機Fig.5 μHRG developed by University of California， Irvine

國內(nèi)的東南大學(xué)［18］和中北大學(xué)［19］對圓片級玻璃膨脹加工技術(shù)進行了探索。如圖6（a）所示，東南大學(xué)采用Pyrex玻璃實現(xiàn)了三維諧振結(jié)構(gòu)的加工。如圖6（b）所示，中北大學(xué)采用預(yù)先制作電極的方式實現(xiàn)了諧振結(jié)構(gòu)與電極的一體化加工。

圖6 國內(nèi)單位研制的微半球諧振結(jié)構(gòu)樣機Fig.6 Micro hemispherical resonators developed by domestic groups

2.3 高溫噴燈吹制工藝

2012年，密歇根大學(xué)利用氧氣和燃?xì)饣旌蠚怏w燃燒產(chǎn)生2200℃左右的高溫，對熔融石英片進行直接加熱。在石墨模具的夾持作用下，加工出了直徑為5mm左右的熔融石英材料的Birdbath諧振結(jié)構(gòu)［20］。首先，將熔融石英片放置在加工有圓形凹槽的石墨模具上，利用丙烷和氧氣燃燒產(chǎn)生的高溫加熱熔融石英片，同時對石墨模具內(nèi)腔加負(fù)壓，在內(nèi)外壓強差的作用下軟化的石英玻璃片向石墨模具內(nèi)腔變形，然后利用CMP去除多余的部分，便得到了三維殼體諧振結(jié)構(gòu)，如圖7（a）所示。 而后， 密歇根大學(xué)提出了如圖7（b）～圖7（d）所示的微焊接結(jié)構(gòu)［21］、 鈴形結(jié)構(gòu)［22］和變壁厚結(jié)構(gòu)［23］等多種結(jié)構(gòu)形式，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)及模態(tài)位移分布。在未進行表面金屬化時，諧振結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)Q最高可達980萬［24］。

圖7 密歇根大學(xué)研制的微半球諧振結(jié)構(gòu)Fig.7 Micro hemispherical resonators developed by University of Michigan

如圖8（a）所示，密歇根大學(xué)在2013年用三維殼體諧振結(jié)構(gòu)制作出了側(cè)壁驅(qū)動陀螺樣機［25］，其零偏穩(wěn)定性達到了1（°）/h。密歇根大學(xué)在2017年提出采用電鍍光刻膠作為犧牲層，實現(xiàn)了硅基弧面電極的制造［26］，其陀螺樣機的零偏穩(wěn)定性達到了 0.039（°）/h。 如圖 8（b）所示， 密歇根大學(xué)在2019年研制的弧面驅(qū)動陀螺樣機在陶瓷管殼封裝后的品質(zhì)因數(shù)Q達到了150萬，在常溫下零偏不穩(wěn)定性為 0.0103（°）/h， 已接近導(dǎo)航級精度， 是目前精度最高的微陀螺之一［2］。

國防科技大學(xué)在2018年利用玻璃吹制和飛秒激光切割的方法，加工出了帶靈敏度放大結(jié)構(gòu)的微型殼體諧振結(jié)構(gòu)［27］，其采用底部的平面電極進行驅(qū)動和信號檢測，使微半球諧振結(jié)構(gòu)的靈敏度提升了1個數(shù)量級以上［28］。同年，如圖9所示，通過將石墨模具和石英玻璃片置于高速旋轉(zhuǎn)的平臺上進行加熱吹制，顯著提高了諧振結(jié)構(gòu)的對稱性。諧振結(jié)構(gòu)邊緣的圓度誤差由約70μm降低到了7μm，初始頻率裂解達12.1Hz，其品質(zhì)因數(shù)Q為3.69萬［29］。 2018年， 國防科技大學(xué)利用飛秒脈沖激光實現(xiàn)了諧振結(jié)構(gòu)的頻率修調(diào)，將諧振結(jié)構(gòu)的頻率裂解由 25Hz 降低到了 0.9Hz［30］。

圖8 密歇根大學(xué)研制的微半球諧振陀螺樣機Fig.8 μHRGs developed by University of Michigan

圖9 國防科技大學(xué)研制的微半球諧振結(jié)構(gòu)Fig.9 Micro hemispherical resonators developed by National University of Defense Technology

如圖10所示，國防科技大學(xué)在2019年研制的微半球諧振陀螺樣機封裝后的品質(zhì)因數(shù)Q為15萬，在常溫下的零偏不穩(wěn)定性為0.46（°）/h， 量程達到±200（°）/s， 是國內(nèi)報道的性能最高的微半球諧振陀螺［31］。

圖10 國防科技大學(xué)研制的微半球陀螺樣機Fig.10 μHRG developed by National University of Defense Technology

3 技術(shù)特點總結(jié)

在上述3種制備方法中，各向同性刻蝕與沉積方法依托成熟的MEMS工藝，加工方法靈活，研究單位較多。各研究單位加工的諧振結(jié)構(gòu)的尺寸、材料、支撐形式均有很大差異，目前已有少部分單位報道了陀螺的性能。該方法的主要優(yōu)勢為體積小，便于集成，但采用這種方法制造的微半球諧振陀螺的機械修調(diào)困難，相對于傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)陀螺，缺乏顯著的優(yōu)勢。玻璃熱膨脹工藝和高溫噴燈吹制工藝具有材料性能優(yōu)越、便于實現(xiàn)機械品質(zhì)修調(diào)的優(yōu)勢，其面臨的核心挑戰(zhàn)在于三維殼體結(jié)構(gòu)釋放及電極集成。3種制備方法的優(yōu)缺點如表1所示。以密歇根大學(xué)為代表的研究單位已推出了高精度的微半球諧振陀螺樣機，但在批量化制造和電路集成等方面仍需要進一步研究。

表1 3種制備方法的技術(shù)特點對比Table 1 Comparison of technical characteristics of three preparation methods

4 結(jié)論

總體而言，國內(nèi)外對于微半球諧振陀螺技術(shù)的研究仍處于初期階段，目前研究熱點集中于微半球諧振結(jié)構(gòu)的制備與電極集成，部分研究單位的陀螺樣機已經(jīng)達到了較高的性能水平，為微半球諧振陀螺技術(shù)的發(fā)展提供了參考。鑒于高性能微陀螺的重要軍用、民用價值，西方國家嚴(yán)格禁止對我國輸出此類技術(shù)和產(chǎn)品。因此，自主研制是我國發(fā)展高性能微半球振動陀螺的必由之路。