畢小偉，杜 偉，馬躍飛，常 江

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

0 引言

加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的基本測(cè)量元件,安裝在彈（箭）內(nèi)部,測(cè)量彈（箭）的運(yùn)動(dòng)加速度,并通過對(duì)加速度的積分求得其速度和位置。因此,加速度計(jì)的性能和精度直接影響著導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)的精度[1]。

軍用加速度計(jì)主要包括擺式積分陀螺加速度計(jì)（Pendulous IntegralGyroscope Accelerometer,PIGA）、擺式加速度計(jì)、振梁加速度計(jì)及微機(jī)電加速度計(jì)等類型。隨著材料科學(xué)、工藝技術(shù)的快速發(fā)展,加速度計(jì)正朝著高精度、高可靠、小型化、低成本的方向發(fā)展。

從慣性系統(tǒng)應(yīng)用的角度來(lái)看,擺式積分陀螺加速度計(jì)仍然是高精度的主流技術(shù)方案,代表著加速度計(jì)的最高水平。導(dǎo)航和戰(zhàn)術(shù)級(jí)領(lǐng)域是擺式加速度計(jì)和振梁加速度計(jì)的主陣地,兩種加速度計(jì)得到了廣泛應(yīng)用。目前,微機(jī)電加速度計(jì)逐步開始進(jìn)入戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域。

在這幾類加速度計(jì)中,由于石英晶體材料的振梁加速度計(jì)采用了無(wú)摩擦結(jié)構(gòu)的諧振原理及抗輻照優(yōu)勢(shì),大大提高了儀表的可靠性。同時(shí),直接脈沖頻率輸出的優(yōu)勢(shì)降低了擺式加速度計(jì)應(yīng)用中I/F轉(zhuǎn)換帶來(lái)的精度損失。石英振梁加速度計(jì)成為繼擺式積分陀螺加速度計(jì)后實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠最有可能的方案,引起了廣泛關(guān)注和深入研究。

1 工作原理及特點(diǎn)

石英振梁加速度計(jì)[2]是一種基于石英振梁力頻特性的新型高精度固態(tài)傳感器,其工作原理如圖1所示。激振電路對(duì)石英振梁進(jìn)行壓電激勵(lì),使其在諧振頻率點(diǎn)處形成彎曲振動(dòng),質(zhì)量塊將外界的輸入加速度轉(zhuǎn)換成作用在振梁上的軸向力。結(jié)合振梁的力頻特性,通過改變振梁的剛度使其諧振頻率發(fā)生變化,檢測(cè)兩個(gè)振梁的頻率差值獲得加速度的大小和方向信息。

圖1 石英振梁加速度計(jì)的工作原理Fig.1 Working principle of QVBA

石英振梁加速度計(jì)敏感結(jié)構(gòu)沿襲了傳統(tǒng)加速度計(jì)擺式檢測(cè)質(zhì)量的設(shè)計(jì)理念,撓性支撐結(jié)構(gòu)使得檢測(cè)質(zhì)量只能繞一個(gè)與輸入軸垂直的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),降低了儀表的交叉耦合誤差。采用振梁推挽結(jié)構(gòu)和頻率差模輸出,降低了儀表的零偏和二階非線性,提高了儀表的標(biāo)度因數(shù)。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能大大降低溫度、非慣性應(yīng)力等共模誤差影響,從而提升了儀表的精度。

石英振梁加速度計(jì)相比于擺式積分陀螺加速度計(jì)、擺式加速度計(jì)而言,零件數(shù)更少,功耗更低。敏感結(jié)構(gòu)除了兩根諧振梁納米級(jí)的微弱振動(dòng)外,沒有其他的機(jī)械磨損部件,也使其具有更長(zhǎng)的平均失效時(shí)間和更高的可靠性。

2 研究現(xiàn)狀

國(guó)外的石英振梁加速度計(jì)的研究始于20世紀(jì)80年代,發(fā)展到90年代后期基本成熟,并形成了不同應(yīng)用領(lǐng)域的系列化產(chǎn)品,從導(dǎo)航、飛行控制等中低精度領(lǐng)域擴(kuò)展到重力測(cè)量等高精度領(lǐng)域,研究機(jī)構(gòu)以美國(guó)Honeywell公司和法國(guó)宇航研究院（ONERA）為代表。

從結(jié)構(gòu)上區(qū)分,石英振梁加速度計(jì)有分體式和一體式兩種形式。如圖2（a）所示,分體式結(jié)構(gòu)由雙端固定石英振梁、撓性支撐結(jié)構(gòu)等組成。其優(yōu)點(diǎn)是石英振梁、撓性支撐結(jié)構(gòu)單獨(dú)完成加工,工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,但裝配工藝較復(fù)雜,且存在著材料、聯(lián)接方式對(duì)儀表精度的影響。如圖2（b）所示,一體式結(jié)構(gòu)是在一片石英基片上完成振梁、撓性支撐和隔離框架的制作,其優(yōu)點(diǎn)是避免了由于材料不同引起的熱匹配問題,具有更高的精度,且體積更小,更易集成裝配。但其缺點(diǎn)在于芯片制作工藝難度大,成品率低,后續(xù)需要進(jìn)行真空封裝。

2.1 分體式結(jié)構(gòu)

圖2 石英振梁加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of QVBA

美國(guó)主要開展分體式結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究,以Honeywell公司為代表, 其典型產(chǎn)品為 RBA500[3], 如圖3（a）所示。其采用了單檢測(cè)質(zhì)量和雙振梁的推挽結(jié)構(gòu),有效消除了共模誤差。同時(shí),為了改善儀表的溫度特性,檢測(cè)質(zhì)量采用與石英材料熱脹系數(shù)相近的合金材料,并增加儀表內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè),用于系統(tǒng)的建模和補(bǔ)償。RBA500的主要技術(shù)指標(biāo)為：偏值年重復(fù)性優(yōu)于4mg,標(biāo)度因數(shù)為80Hz/g,年重復(fù)性優(yōu)于450×10-6,年產(chǎn)量約11.8萬(wàn)只。該產(chǎn)品定位中低精度戰(zhàn)術(shù)武器,與激光陀螺或光纖陀螺配合應(yīng)用于美國(guó) HG1700、HG1900慣導(dǎo)系統(tǒng)[4-5]。

美國(guó)Sundstrand Data Control公司（后被 Allied Signal公司收購(gòu)）采用分體式推挽結(jié)構(gòu),研制了小量程、高精度的石英振梁加速度計(jì)Accelerex,成功用于測(cè)量地球重力場(chǎng)亞微g的變化。在儀表結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)處理方法沒有優(yōu)化的情況下,48h內(nèi)測(cè)量誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為4.8×10-8g,展示了振梁加速度計(jì)在高分辨率重力測(cè)量上的巨大潛力[6]。

美國(guó)Allied Signal公司（后被Honeywell公司收購(gòu)）在美國(guó)陸軍導(dǎo)彈司令部主管的先進(jìn)動(dòng)能導(dǎo)彈（ADKEM）項(xiàng)目支持下,設(shè)計(jì)了一款量程為1200g、分辨率為1mg的大動(dòng)態(tài)范圍石英振梁加速度計(jì),性能測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了石英振梁加速度計(jì)在大機(jī)動(dòng)、高過載的戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)系統(tǒng)的重要應(yīng)用[7]。

此外,Honeywell公司在戰(zhàn)略級(jí)慣性儀表和石英振梁加速度計(jì)研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,2006年開始和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）合作,開展了戰(zhàn)略級(jí)石英振梁加速度計(jì)（Strategic Resonating Beam Accelerometer,SRBA）的研制工作。 如圖 3（b）所示,Honeywell公司已經(jīng)完成了第一批次SRBA原理樣機(jī)研制,且很多性能已經(jīng)達(dá)到擺式積分陀螺加速度計(jì)的水平[8-9]。相比于量產(chǎn)型的RBA500,SRBA選用更大的檢測(cè)質(zhì)量和諧振器,以獲得優(yōu)良的偏置穩(wěn)定性和低噪聲。此外,SRBA檢測(cè)質(zhì)量材料選用單晶石英晶體,具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、彈性線性度及和諧振梁匹配的熱膨脹系數(shù),單晶石英晶體檢測(cè)質(zhì)量的選取能提高儀表長(zhǎng)期穩(wěn)定性、瞬時(shí)翻轉(zhuǎn)特性及溫度特性。

圖3 Honeywell公司的研制的分體式產(chǎn)品Fig.3 Products of separated structure developed by Honeywell

2.2 一體式結(jié)構(gòu)

法國(guó)宇航研究院（ONERA）在20世紀(jì)90年代提出了一體式石英振梁加速度計(jì)的初步方案[10],主要思路是在一片石英基片上完成振梁、敏感質(zhì)量和隔離框架的制作,避免了因材料不同帶來(lái)的熱匹配問題,并實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)小型化。其核心敏感器件石英振梁采用單梁結(jié)構(gòu),相比于雙梁結(jié)構(gòu),標(biāo)度因數(shù)提升1倍。

ONERA對(duì)一體式石英振梁加速度計(jì)進(jìn)行了深入的理論分析和工程化研究[11-15],對(duì)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化和完善。2006年,儀表樣機(jī)的量程為±100g,精度約為300μg。2014年,文獻(xiàn)報(bào)道ONERA于2008年將相關(guān)專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了iXblue公司[16]。經(jīng)過多年的技術(shù)消化和發(fā)展,iXblue公司于2019年推出了一體式石英振梁加速度計(jì)產(chǎn)品iXal A5,如圖4所示。iXal A5兩款加速度計(jì)的量程分別為±50g和±80g,工作溫度為-32℃～+70℃,偏值年重復(fù)性優(yōu)于1mg,偏值溫度誤差為300μg,標(biāo)度因數(shù)為19Hz/g～25Hz/g,年重復(fù)性優(yōu)于300×10-6,溫度誤差為100×10-6。

圖4 iXblue公司研制的一體式石英振梁加速度計(jì)Fig.4 Monolithic QVBA developed by iXblue

在高分辨率研究方面,ONERA通過增大質(zhì)量和降低量程,研制成了50ng分辨率的一體式振梁加速度計(jì)樣機(jī)[17],如圖 5所示。在±10g的量程內(nèi),該樣機(jī)的標(biāo)度因數(shù)達(dá)到440Hz/g。

圖5 高分辨率一體式石英振梁加速度計(jì)芯片及樣機(jī)Fig.5 Chip and prototype of monolithic QVBA in high resolution

2018年,ONERA研制了一種達(dá)到導(dǎo)航級(jí)精度的一體式振梁加速度計(jì)樣機(jī)[18],如圖6所示。該加速度計(jì)在一片石英晶片上設(shè)計(jì)了兩個(gè)差分工作的敏感結(jié)構(gòu),一階模態(tài)頻率約為3000Hz。在-40℃～+80℃的范圍內(nèi),經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的偏值重復(fù)性為33μg,標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性為17×10-6,偏值短期穩(wěn)定性達(dá)到了1μg。

圖6 導(dǎo)航級(jí)一體式石英振梁加速度計(jì)芯片及樣機(jī)Fig.6 Chip and prototype of monolithic QVBA in navigation level

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 石英振梁

石英振梁是振梁加速度計(jì)的核心器件,作為力頻轉(zhuǎn)換器件,其早期主要用于測(cè)力傳感器。常用的結(jié)構(gòu)有單梁和雙梁兩種,如圖7所示。振梁設(shè)計(jì)涉及晶片切型、振動(dòng)頻率、振動(dòng)模態(tài)、激勵(lì)電極、寄生振動(dòng)抑制、工藝可行性等方面。

圖7 石英振梁兩種結(jié)構(gòu)的對(duì)比Fig.7 Comparison of two structures of quartz vibrating beam

振梁加工流程一般如圖8所示。晶體刻蝕可采用干法、濕法或干濕法結(jié)合等加工方式,石英晶體的各向異性會(huì)使振梁在刻蝕過程中出現(xiàn)側(cè)棱,側(cè)棱會(huì)對(duì)梁的振動(dòng)穩(wěn)定性及儀表精度帶來(lái)一定影響。通過優(yōu)化刻蝕工藝參數(shù),能夠減小側(cè)棱結(jié)構(gòu),保證梁結(jié)構(gòu)的微納加工精度。

圖8 石英振梁成型工藝流程Fig.8 Forming process of quartz vibrating beam

3.2 撓性支撐

撓性支撐的作用是將輸入加速度的變化轉(zhuǎn)換成振梁受力的變化,進(jìn)而產(chǎn)生輸出頻率的變化,一般采用強(qiáng)度極限大、疲勞強(qiáng)度高、無(wú)磁、加工工藝性好的彈性合金、石英等材料。撓性支撐的設(shè)計(jì)結(jié)合工藝加工可采用平橋式或圓弧式,如圖9所示。作為石英振梁加速度計(jì)的關(guān)鍵零件,撓性接頭加工的厚度、剛度及對(duì)稱性直接影響著儀表的精度水平。

圖9 撓性支撐兩種結(jié)構(gòu)形式Fig.9 Two structure forms of flexure

3.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是和石英振梁相匹配,以實(shí)現(xiàn)振梁在諧振頻率點(diǎn)處的振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路頻率跟隨振梁固有頻率,且隨加速度改變而變化。振梁的輸出信號(hào)被緩沖整形以便輸出信號(hào)與數(shù)字元件相匹配,從而能夠用數(shù)字計(jì)數(shù)器檢測(cè)并進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的數(shù)據(jù)處理。

3.4 裝配及封裝

精密裝配是石英振梁加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度及可靠性的保證,涉及高精度對(duì)準(zhǔn)、低應(yīng)力聯(lián)接、應(yīng)力隔離釋放等技術(shù)。儀表應(yīng)實(shí)現(xiàn)氣密封裝,內(nèi)腔氣壓的選取一方面要保證儀表具有一定的壓膜阻尼,另一方面要考慮提高振梁振動(dòng)Q值、降低氣體阻尼和振梁等效電阻。

4 發(fā)展趨勢(shì)

如表1所示,根據(jù)石英振梁加速度計(jì)的產(chǎn)品特點(diǎn)和國(guó)外發(fā)展情況,依據(jù)精度及應(yīng)用場(chǎng)景不同,發(fā)展形成了層次化、系列化的產(chǎn)品。

表1 石英振梁加速度計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域及產(chǎn)品特點(diǎn)Table 1 Application fields and product characteristics of QVBA

在高精度應(yīng)用領(lǐng)域,隨著未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中導(dǎo)彈射程的不斷增加以及對(duì)純慣性導(dǎo)航的迫切需求,石英振梁加速度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是朝著高精度、高可靠、戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用方向。2006年,美國(guó)啟動(dòng)了戰(zhàn)略級(jí)石英振梁加速度計(jì)的研制工作。同時(shí),法國(guó)也開始提升其導(dǎo)航級(jí)產(chǎn)品性能,以期達(dá)到戰(zhàn)略級(jí)指標(biāo)要求。表2給出了戰(zhàn)略級(jí)石英振梁加速度計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)及技術(shù)重點(diǎn)。

表2 戰(zhàn)略級(jí)石英振梁加速度計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)及技術(shù)重點(diǎn)Table 2 Key designs and technical points of QVBA in strategic level

5 結(jié)論

石英振梁加速度計(jì)是一種基于振梁力頻特性的新型數(shù)字化慣性傳感器,具有精度高、體積小、功耗低、分辨率高、響應(yīng)快、可靠性好、成本低、過載能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn),在戰(zhàn)術(shù)級(jí)武器系統(tǒng)上得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí),基于石英振梁天然的無(wú)摩擦結(jié)構(gòu)及直接脈沖頻率輸出的特點(diǎn),石英振梁加速度計(jì)將成為繼PIGA后實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠、戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用最有可能的方案,成為未來(lái)高精度軍用加速度計(jì)研究的熱點(diǎn)。