何 杰，樸繼軍，朱玲瑞，袁小平，胡少勤

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶 400060)

0 引言

傳統(tǒng)高靈敏度慣性測(cè)量技術(shù)已進(jìn)入精度發(fā)展極限，三浮陀螺和靜電機(jī)電高精度陀螺儀近30年不再發(fā)展，光學(xué)陀螺技術(shù)在國(guó)外近10年無(wú)明顯進(jìn)展。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀雖然具有光明的應(yīng)用前景，但精度仍未達(dá)到期望的要求，在性能上與傳統(tǒng)陀螺儀還存在很大的差距，難以滿(mǎn)足軍事及工業(yè)應(yīng)用對(duì)高精度MEMS陀螺的需求。

本文基于近年來(lái)美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)在微慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域的資助項(xiàng)目，綜合研究了MEMS諧振陀螺、微光學(xué)陀螺(MOG)、聲表面波陀螺(SAWG)等微慣性傳感器技術(shù)及微慣性測(cè)量單元(MIMU)的最新發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析與評(píng)述。

1 DARPA重點(diǎn)支持的微陀螺研究項(xiàng)目

MEMS陀螺性能的進(jìn)一步提升、核磁共振陀螺(NMRG)的發(fā)展及基于集成光學(xué)技術(shù)的MOG等微慣性傳感器技術(shù)被認(rèn)為是目前能將MEMS慣性傳感器從低/中精度應(yīng)用領(lǐng)域帶入中/高精度的軍用和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的3種重要的微慣性傳感器技術(shù)。圖1為高性能MEMS慣性傳感器在軍事和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1 高性能MEMS慣性傳感器的四大應(yīng)用領(lǐng)域

20世紀(jì)90年代，美國(guó)DARPA啟動(dòng)了一系列微慣性器件技術(shù)的研究項(xiàng)目。在其資助下，Draper、Honeywell、諾斯羅普·格魯曼、BAE 等研制出軍用MEMS慣性器件，并在軍用產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。目前，MEMS慣性傳感器在常規(guī)武器的制導(dǎo)化改造、中近程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、軍用慣性平臺(tái)、軍用航空載具姿態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，是防空導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈、便攜式導(dǎo)彈、航空制導(dǎo)炸彈、制導(dǎo)彈藥等制導(dǎo)武器系統(tǒng)的必然選擇，也是慣性制導(dǎo)與導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向。據(jù)美國(guó)國(guó)防部預(yù)測(cè)，到 2020 年美軍 90%的制導(dǎo)武器將采用 MEMS 慣性傳感器，如圖2所示[1]。

圖2 2020年，美軍90%的制導(dǎo)武器將采用MEMS慣性傳感器

DARPA的NGIMG和MRIG項(xiàng)目都取得了突破性的進(jìn)展。2014年，波音公司報(bào)道了其研制的基于Si的直徑8 mm多環(huán)諧振盤(pán)陀螺(DRG)實(shí)現(xiàn)了零偏穩(wěn)定性基于DRG陀螺的指北儀體積約為163.87 cm3，質(zhì)量約為0.11 kg[4]，而基于熔融石英材料直徑為?8 mm或更大直徑的DRG正在研制中，預(yù)期目標(biāo)是DRG的品質(zhì)因數(shù)(Q)值提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，ARW提升1個(gè)數(shù)量級(jí)。諾斯羅普·格魯曼公司研制的核磁共振陀螺[5]實(shí)現(xiàn)的零偏穩(wěn)定性已提高至0.01 (°)/h，ARW為0.005體積為10 cm3，陀螺采用真空封裝，已在“獵戶(hù)星座”和T-6B飛機(jī)上進(jìn)行了獨(dú)立測(cè)試。

2015年，DARPA提出了“穩(wěn)定型精確慣性制導(dǎo)彈藥(PRIGM)”計(jì)劃[6]，研制具有低CSWaP(成本、尺寸、質(zhì)量和功耗)特性的“先進(jìn)微慣性傳感器(AIMS)”，滿(mǎn)足在高沖擊和高振動(dòng)環(huán)境下應(yīng)用，且具有高動(dòng)態(tài)范圍、低噪音、高精度的慣性器件，其詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表1、2所示。表中，目標(biāo)1為高動(dòng)態(tài)環(huán)境器件指標(biāo)，目標(biāo)2為高精度和高穩(wěn)定性器件指標(biāo)，g=9.8 m/s2。

表1 具有低SWaP和環(huán)境適應(yīng)性的DARPA AIMS項(xiàng)目研制指標(biāo)

表2 DARPA新型微慣性傳感器AIMS項(xiàng)目研制指標(biāo)

PRIGM-AIMS項(xiàng)目重點(diǎn)支持的3種MEMS慣性器件的研制方向?yàn)椋?/p>

1)全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的MEMS諧振陀螺(速率積分陀螺)。

2)片上集成光波導(dǎo)陀螺。

3)SAW陀螺。

PRIGM-AIMS項(xiàng)目計(jì)劃執(zhí)行3個(gè)階段共42個(gè)月，目前，DARPA的PRIGM-AIMS項(xiàng)目計(jì)劃仍在執(zhí)行中。同時(shí)，DARPA強(qiáng)調(diào)只支持結(jié)構(gòu)上高度對(duì)稱(chēng)的二維或三維的MEMS陀螺研制，不再支持音叉型MEMS 陀螺的研制。DARPA關(guān)于MEMS慣性器件的研制計(jì)劃具有重要的參考價(jià)值，能夠代表MEMS慣性器件的發(fā)展方向。

2 微陀螺器件的最新研究進(jìn)展

2.1 全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的MEMS諧振陀螺

MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)可分成兩類(lèi)：非簡(jiǎn)并模態(tài)陀螺儀和簡(jiǎn)并模態(tài)陀螺儀。非簡(jiǎn)并模態(tài)陀螺儀一般由一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量塊或大框架組成，彈性梁將質(zhì)量塊支撐和連接起來(lái)，并擁有兩個(gè)方向的自由度。因此，驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)方向上的彈性梁是不同的，如諧振梁式陀螺儀、音叉式陀螺儀等。簡(jiǎn)并模態(tài)陀螺儀的結(jié)構(gòu)一般是軸對(duì)稱(chēng)，如微半球諧振陀螺(mHRG)。半球諧振陀螺儀(俄羅斯稱(chēng)為固體波動(dòng)陀螺[7])的發(fā)展經(jīng)歷了金屬半球諧振陀螺、石英半球諧振陀螺的研制與升級(jí)。在發(fā)展過(guò)程中有多種結(jié)構(gòu)變化，衍生出微半球諧振陀螺、諧振環(huán)陀螺(VRG)和蝶形諧振陀螺(DRG)等多種三維、二維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)適合目前的MEMS制造工藝，可實(shí)現(xiàn)低成本批量化生產(chǎn)。mHRG采用特有的中心軸對(duì)稱(chēng)敏感結(jié)構(gòu)，使其具備全角測(cè)量能力，即直接測(cè)量輸入角度。與傳統(tǒng)角速度測(cè)量方式相比，角度信息需要通過(guò)對(duì)角速度信號(hào)進(jìn)行積分求得，mHRG直接測(cè)量輸入角度，避免了長(zhǎng)時(shí)間對(duì)角速度積分的累計(jì)誤差以及角度和角速度模式之間的切換，較傳統(tǒng)角速度檢測(cè)模式的MEMS陀螺儀具有更好的性能。中心軸對(duì)稱(chēng)敏感結(jié)構(gòu)使mHRG對(duì)環(huán)境變量(溫度、振動(dòng)等)不敏感，其精度高，動(dòng)態(tài)范圍高，抗沖擊、抗外界干擾能力強(qiáng)，特別符合智能裝備的制導(dǎo)需求，可用于未來(lái)多種中高精度裝備平臺(tái)載體，尤其是高動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)裝備用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

mHRG研究的難點(diǎn)在于制備出高度對(duì)稱(chēng)、表面光滑的半球殼諧振器。目前加工微半球諧振子的工藝主要有薄膜沉積工藝、玻璃吹制工藝和噴燈法。2018年，在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(xiàng)目的支持下，密歇根大學(xué)無(wú)線(xiàn)集成微傳感與系統(tǒng)中心的研究人員采用改進(jìn)的噴燈法工藝制作出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)[8]，這種PSI微諧振器具有可控的剛度和質(zhì)量分布，用于實(shí)現(xiàn)的mHRG不僅具有很高的哥氏力敏感性，且還具有高的抗沖擊和振動(dòng)性能。

2.2 諾斯羅普·格魯曼公司在核磁共振陀螺的物理封裝上取得突破

在DARPA的支持下，諾斯羅普·格魯曼公司從2005年開(kāi)始研制核磁共振陀螺，2014年，該公司實(shí)現(xiàn)了零偏穩(wěn)定性為0.01 (°)/h的核磁共振陀螺樣機(jī)[9]。然而，當(dāng)前核磁共振陀螺儀的物理封裝設(shè)計(jì)包含了許多新的組件和材料，這些組件和材料存在新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，如使用磁屏蔽層內(nèi)的鐵氧體內(nèi)層只能部分消除陀螺儀中顯著的場(chǎng)梯度，仍會(huì)有明顯的殘余場(chǎng)梯度。將氙自旋相干壽命限制在1 s或更短時(shí)間內(nèi)，將顯著降低可實(shí)現(xiàn)陀螺儀的ARW和零偏穩(wěn)定性能。諾斯羅普·格魯曼公司提出了一種新的熱消磁法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，他們采用熱消磁鐵氧體屏蔽層封裝的核磁共振陀螺的單元場(chǎng)梯度旋轉(zhuǎn)壽命比采用傳統(tǒng)的場(chǎng)消磁鐵氧體屏蔽元件的單元場(chǎng)梯度旋轉(zhuǎn)壽命長(zhǎng)100～1 000倍[10]。

2.3 MOG

MOG是光學(xué)陀螺微型化的一個(gè)重要可選方案，其基本原理與光學(xué)陀螺相同，但其檢測(cè)光路用集成光波導(dǎo)代替了光纖。因此，MOG能夠采用光電集成技術(shù)和半導(dǎo)體工藝把激光器、相位調(diào)制器、光電探測(cè)器、波導(dǎo)環(huán)形諧振腔(WRR)和檢測(cè)電路等部件集成到一個(gè)芯片上，從而實(shí)現(xiàn)單片集成并可批量生產(chǎn)，降低成本。能夠滿(mǎn)足低成本、小尺寸、小質(zhì)量、低功耗(CSWaP)要求的MOG已被DARPA明確為未來(lái)高精度、大動(dòng)態(tài)范圍陀螺的重要技術(shù)發(fā)展方向之一。

2018年，美國(guó)加州理工學(xué)院托馬斯·J·沃森應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室利用碟形波導(dǎo)研制了諧振型布里淵陀螺原型樣機(jī)[11]。受激布里淵激光由一個(gè)直徑36 mm、高Q值硅基二氧化硅碟型波導(dǎo)諧振腔激發(fā)，其中諧振腔的自由譜線(xiàn)寬度被嚴(yán)格的設(shè)置為布里淵頻移的1/3。陀螺利用順時(shí)針2級(jí)次布里淵散射光與順時(shí)針3級(jí)次布里淵散射光在薩格納克(Sagnac)效應(yīng)影響下的區(qū)別來(lái)檢測(cè)角速度。測(cè)試表明，其零偏穩(wěn)定性約為3.6 (°)/h，陀螺能夠檢測(cè)的最小轉(zhuǎn)速為22 (°)/h(性能比目前的諧振型微陀螺提高了40倍)，陀螺帶寬為1 kHz。該研究得到了DARPA PRIGM-AIMS項(xiàng)目的資金支持。圖3為加州理工學(xué)院研制的微光學(xué)陀螺原型樣機(jī)。

圖3 加州理工學(xué)院研制的微光學(xué)陀螺原型樣機(jī)

目前市場(chǎng)上最小的高性能光學(xué)陀螺儀比高爾夫球還大，不適合便攜式應(yīng)用。加州理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)采用一種稱(chēng)為“相互靈敏度增強(qiáng)”的新技術(shù)來(lái)改進(jìn)性能[12]，“相互”意味著對(duì)陀螺儀內(nèi)兩束光的影響一樣，由于Sagnac效應(yīng)依賴(lài)于檢測(cè)兩束光在相反方向上行進(jìn)時(shí)的差異，因此，它被認(rèn)為是非互易的。在新陀螺儀內(nèi)部，光線(xiàn)從微型光學(xué)波導(dǎo)(攜帶光的小導(dǎo)管，功能與電線(xiàn)相同)中通過(guò)，光路中可能影響光束的缺陷(如熱波動(dòng)或光散射)和任何外部干擾都將對(duì)兩束光產(chǎn)生相同的影響。該技術(shù)團(tuán)隊(duì)找到了一種方法來(lái)消除這種“相互”噪聲，同時(shí)保留Sagnac效應(yīng)的信號(hào)。相互的靈敏度增強(qiáng)改善了系統(tǒng)中的信噪比，并使光學(xué)陀螺儀能集成到比一粒米還小的芯片上。與目前最先進(jìn)的小型化光纖陀螺相比，實(shí)現(xiàn)的這種全集成納米光子光學(xué)陀螺原型樣機(jī)能夠檢測(cè)到小30倍的相位漂移而體積只有其1/500，未來(lái)有望在無(wú)人機(jī)和航天器上獲得應(yīng)用。

2.4 微聲陀螺

基于聲學(xué)原理的微型陀螺傳感器是MEMS慣性傳感器的一個(gè)重要分支，微聲陀螺主要包括SAWG和體聲波(BAW)陀螺。一般采用SAW或BAW器件作為敏感元件，通過(guò)特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)敏感外界角速度，將外界角速度的變化轉(zhuǎn)換為聲波器件的機(jī)械應(yīng)變，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為聲波的諧振頻率或相位延遲的變化，通過(guò)檢測(cè)聲波的頻率或相位的變化來(lái)檢測(cè)角速度的變化。

2018年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在Y切鈮酸鋰(LN)4寸(1 in=2.54 cm)片上制作SAWG，并研究了大小不同的兩種諧振腔對(duì)SAWG噪聲性能的影響[13]。結(jié)果表明，采用較大諧振腔的SAWG具有更好的性能，他們宣稱(chēng)，其制作的SAWG原型樣機(jī)的ARW指標(biāo)已可與目前戰(zhàn)術(shù)級(jí)MEMS振動(dòng)陀螺(MVG)不相上下，未來(lái)他們將進(jìn)一步探索采用新材料來(lái)提高諧振器的Q值和叉指換能器(IDT)指條的反射性能。

3 微慣性測(cè)量單元(MIMU)的最新進(jìn)展

在實(shí)際的軍事和商業(yè)使用中，單一方向的加速度或角速度檢測(cè)無(wú)法滿(mǎn)足各方面的需求，為獲得物體運(yùn)動(dòng)的完整信息，需要同時(shí)檢測(cè)3個(gè)正交方向的加速度和角速度信號(hào)，故而需要將多個(gè)微慣性器件通過(guò)一定的組合方式組成MIMU，實(shí)現(xiàn)對(duì)六自由度慣性參數(shù)檢測(cè)的功能。MIMU是集微加速度計(jì)、微陀螺儀、專(zhuān)用集成電路、嵌入式計(jì)算機(jī)于一體的微慣性測(cè)量組件，其具有功耗低，體積小，功能全的特點(diǎn)。MIMU具有明顯的軍民兩用特點(diǎn)。在民用方面，MIMU不僅能夠應(yīng)用于航空和車(chē)輛自動(dòng)駕駛，并在自動(dòng)控制、機(jī)器人及工業(yè)自動(dòng)化等方面也具有非常大的發(fā)展?jié)摿Γ辉谲娛聭?yīng)用方面，MIMU在常規(guī)兵器中有廣闊的發(fā)展前景。目前，國(guó)外從事MIMU研制和生產(chǎn)的主要機(jī)構(gòu)有美國(guó)霍尼韋爾公司、ADI公司、挪威SENSONOR公司及英國(guó)BAE公司等。

2016年，ADI公司推出的一款最新微慣性測(cè)量單元-ADIS16490的零偏穩(wěn)定性達(dá)到1.8 (°)/h，加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性達(dá)到3.6 μg，在目前同類(lèi)解決方案中體積最小，功耗最低，可應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)級(jí)導(dǎo)航、無(wú)人駕駛汽車(chē)領(lǐng)域。挪威SENSONOR公司開(kāi)發(fā)的STIM系列MIMU已經(jīng)具備優(yōu)異的性能和很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，可以應(yīng)用于多軍事領(lǐng)域，其最新產(chǎn)品STIM300 MIMU的陀螺零偏達(dá)到 0.5 (°)/h，其性能足以代替光纖慣導(dǎo)。圖4為ADI公司和SENSONOR公司的MIMU實(shí)物照片。

圖4 ADI公司和SENSONOR公司的MIMU實(shí)物

英國(guó)BAE公司的MIMU已實(shí)現(xiàn)系列化，最小體積僅25.4 mm3，可以植入到士兵的戰(zhàn)靴中，實(shí)現(xiàn)單兵全時(shí)導(dǎo)航。BAE公司的MIMU在高速旋轉(zhuǎn)彈、中程導(dǎo)彈和美國(guó)155 mm制導(dǎo)神箭炮彈(Excalibur)等武器系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

目前，MIMU技術(shù)仍是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)。美國(guó)DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室自2015年5月就開(kāi)始征集“精確制導(dǎo)彈藥導(dǎo)航級(jí)慣性測(cè)量單元”(PRIGM:NGIMU)項(xiàng)目提案，PRIGM:NGIMU項(xiàng)目的目標(biāo)是“研發(fā)一種基于MEMS的導(dǎo)航級(jí)慣性測(cè)量單元(IMU)，具有機(jī)械/電結(jié)構(gòu)，能夠插拔替代現(xiàn)有老舊國(guó)防平臺(tái)中的戰(zhàn)術(shù)級(jí)IMU；PRIGM:AIMS將探索替代技術(shù)和商品來(lái)實(shí)現(xiàn)慣性感知，包括光電和MEMS-光電集成以及全新架構(gòu)和材料系統(tǒng)”；最終，PRIGM:NGIMU希望“為未來(lái)研發(fā)高性能慣性傳感器發(fā)現(xiàn)具備前景的候選技術(shù)，滿(mǎn)足長(zhǎng)航時(shí)任務(wù)和在極端環(huán)境中的部署”[6]。2016年3月，DARPA選定諾斯羅普·格魯曼公司開(kāi)發(fā)基于MEMS的新一代IMU，要求諾斯羅普·格魯曼公司通過(guò)集成先進(jìn)的MEMS慣性傳感器，開(kāi)發(fā)低成本、小尺寸、低功耗的小型化導(dǎo)航級(jí)IMU來(lái)替代現(xiàn)有的IMU，提供更精確的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。在這份總價(jià)值為627萬(wàn)美元的成本加固定費(fèi)用價(jià)格(CPFF)基本合同中，要求諾斯羅普·格魯曼公司驗(yàn)證其MEMS陀螺儀和加速計(jì)滿(mǎn)足規(guī)定性能及環(huán)境要求，同時(shí)還追加了530萬(wàn)美元的MIMU研制合同，指定評(píng)估LR-500是否滿(mǎn)足尺寸、質(zhì)量、功率及性能參數(shù)要求，隨后在國(guó)防部仿真環(huán)境中進(jìn)行IMU原型系統(tǒng)測(cè)試。2016年10月，DARPA與霍尼韋爾公司簽訂了開(kāi)發(fā)下一代精確慣性技術(shù)的合同，開(kāi)發(fā)可用于GPS拒止和高對(duì)抗環(huán)境的、比現(xiàn)有HG1930 IMU高3個(gè)數(shù)量級(jí)的IMU。通過(guò)與DARPA的合作，霍尼韋爾公司將在慣性傳感器的設(shè)計(jì)與制作中進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)陀螺儀和加速度計(jì)的小型化，提高IMU的性能，降低其功耗，以提供具有更高精度和更低成本的精確導(dǎo)航解決方案。

3.1 諾斯羅普·格魯曼公司開(kāi)發(fā)基于mHRG的慣性傳感器組件(ISA)

2012年，諾斯羅普·格魯曼公司完成了第二代微半球諧振陀螺(Gen-2 mHRG)的研制與測(cè)試[15]。隨后，基于其研制的第二代mHRG，諾斯羅普·格魯曼公司開(kāi)發(fā)出了第一款I(lǐng)SA演示驗(yàn)證單元(ISA DU)，并在2018年報(bào)道了其研制成果。該ISA由4個(gè)Gen-2 mHRG、四通道諾斯羅普·格魯曼公司的哥氏振動(dòng)陀螺(CVG)控制/數(shù)據(jù)采集電路、任務(wù)計(jì)算機(jī)和3個(gè)SiAcTM MEMS加速度計(jì)構(gòu)成。圖5為諾斯羅普·格魯曼公司的ISA實(shí)物照片。下一步他們將繼續(xù)對(duì)目前的ISA加以?xún)?yōu)化，從而研制出一種可商業(yè)化生產(chǎn)的具有完全實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)功能的mHRG ISA。

圖5 諾斯羅普·格魯曼公司研制的基于mHRG的MIMU演示驗(yàn)證樣機(jī)

3.2 亞諾德半導(dǎo)體公司(ADI)開(kāi)發(fā)出可用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)導(dǎo)航的無(wú)加速度計(jì)MIMU

美國(guó)亞諾德半導(dǎo)體公司基于戰(zhàn)術(shù)級(jí)MEMS 陀螺儀(零偏穩(wěn)定性為1 (°)/s)開(kāi)發(fā)了一款六自由度(DOF)的MIMU[16]，用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的導(dǎo)航。這款MIMU用速度計(jì)代替了傳統(tǒng)MIMU中的加速度計(jì)，從而在組件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中省去了集成步驟。試驗(yàn)表明，使用MIMU進(jìn)行陸地車(chē)輛導(dǎo)航可達(dá)到類(lèi)似于民用GPS的精度，當(dāng)汽車(chē)以40 km/h的速度勻速行駛時(shí)，10 min內(nèi)的位置誤差為30 m。

4 分析與評(píng)述

以mHRG為代表的全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)MEMS諧振陀螺具有無(wú)機(jī)械帶寬限制、無(wú)集成誤差、結(jié)構(gòu)(蝶形或殼體)抗沖擊和振動(dòng)性能優(yōu)良、環(huán)境穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，但全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)MEMS諧振陀螺的研制也存在高對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)加工難，周向敏感導(dǎo)致信噪比(SNR)低等技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著mHRG技術(shù)的逐步成熟，mHRG將更多地進(jìn)入陸地和航海導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域，基于mHRG的小型化精密瞄準(zhǔn)和指向系統(tǒng)(PPTS)未來(lái)在GPS拒止、高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的精密導(dǎo)航與制導(dǎo)領(lǐng)域?qū)@得廣泛應(yīng)用。

MOG具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、高集成度可降低CSWaP、環(huán)境敏感性比傳統(tǒng)光學(xué)陀螺低等優(yōu)勢(shì)，是高精度陀螺實(shí)現(xiàn)微小型化和集成化的重要途徑，在微納衛(wèi)星姿態(tài)控制、微小型無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。MOG目前還處在原理驗(yàn)證和原型樣機(jī)研究階段，在低損耗波導(dǎo)、多波導(dǎo)垂直集成、高SNR的實(shí)現(xiàn)以及光子集成等方面還面臨嚴(yán)重的技術(shù)挑戰(zhàn)，其核心敏感器件波導(dǎo)環(huán)形諧振腔(WRR)是目前的研究重點(diǎn)。

在傳統(tǒng)SAWG結(jié)構(gòu)中，由旋轉(zhuǎn)引起的SAW參數(shù)變化極小，SAWG信號(hào)過(guò)于微弱，當(dāng)時(shí)的技術(shù)難以檢測(cè)出SAWG效應(yīng)信號(hào)，因此，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，SAWG技術(shù)的發(fā)展較慢。近年來(lái)，在DARPA PRIGM-AIMS項(xiàng)目的支持下，SAWG的研究重新獲得人們的關(guān)注。微聲陀螺具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、環(huán)境魯棒性高、抗高過(guò)載、采用光學(xué)讀出可提高陀螺靈敏度等優(yōu)勢(shì)，但熱穩(wěn)定性、SAWG信號(hào)的檢測(cè)是研制微聲陀螺面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

核磁共振陀螺儀具有高精度、小體積等特點(diǎn)，是成熟度較高的原子陀螺儀。在突破了微型高性能原子氣室制備、微型磁屏蔽制備及物理封裝等技術(shù)障礙后，目前正在向體積芯片化和精度導(dǎo)航級(jí)發(fā)展，再經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，有望以捷聯(lián)的方式應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)武器裝備。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著微機(jī)械加工精度、集成化水平、敏感結(jié)構(gòu)的封裝等關(guān)鍵問(wèn)題的解決，未來(lái)微陀螺技術(shù)的精度仍有較大提升空間，將會(huì)逐步進(jìn)入導(dǎo)航級(jí)水平，在中/高端軍事和工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒌玫皆絹?lái)越廣泛的應(yīng)用。