英国基于微纳机电系统的Gun-Hard惯性测量装置研究进展

英国基于微纳机电系统的Gun-Hard惯性测量装置研究进展
摘要：BAE SYSTEMS(英国航太系统公司)是一家惯性传感器和系统的最主要供应商，该公司正在研制基于微纳机电系统的惯性测量装置。

SilMU02TM在炮射制导射弹的发射环境中受到严重冲击和振动后，依然仍能够抗毁和运行，并且，其体积小到足以适合下一代小口径制导火箭和导弹。

该文通过跟踪第一代SiIMU01TM到第二代SiIMU02TM的合理进程，介绍了惯性测量装置的结构，分析了下一步所依循的线路图，甚至未来达到更小、更佳性能的微机电系统惯性测量装置。

该文还介绍了如何通过将传感器技术与SiIMU02TM中所用惯性测量装置结构相结合来解决编制制导炮弹程序这些问题。

关键词：SilMU02TM 微纳机电系统惯性测量装置
1 引言
自20世纪80年代中叶以来，英国航太系统公司一直在开发和制造振动结构陀螺仪(VSG)和科氏速率传感器。

第一代VSG基于一种压电陶瓷圆筒结构。

第2代移入到较平的金属环结构内，而第3代则采用了一种微加工的硅(或微机电系统)结构—SiVSG。

英国航太系统公司的第二代惯性测量装置，已将所有这些产品变化的创新特征组合到一个单独全数字MEMS装置SilMU02TM中。

其软件的可配置数字设计,使之从普通的核心硬件概念成为将要生产的大量变体，包括一种制导弹药的gun-hard派生产品、一种更高精度的短程制导武器/
无人机用派生产品和一种不需要测量线性加速度的三轴速率成套系统。

SiIMU02TM采用了创新的在环数字校准技术，使陀螺仪的导通-导通可重复性达到70°/h，加速度计可重复性达到10mg。

在运行中，也可达到5°/h和2mg的稳定性。

SilMU02TM产品的模块化设计考虑了核心产品的软件修改，以适应单独用户的接口要求，其成本比第一代模拟惯性测量装置低得多。

2 陀螺仪技术
2.1 科氏速率传感器
所有陀螺仪均取决于科氏加速度现象，英国航太系统公司生产的所有振动陀螺仪，包括硅MEMS传感器，均为壳谐振体装置。

经过多年的研制，英国航太系统公司已能够克服简谐振子和平衡振荡器两种振荡器中，因底座振动产生的基本问题。

这些问题，在诸如炮射制导弹药之类高冲击和高振动环境设计中非常显著，英国航太系统公司设计的独特环形区域，已显示了异常性能。

2.2 SiVSG谐振器设计
(图1)中显示了英国航太系统公司MEMS SiVSG速率传感器的传感元件。

各谐振器包括一个6mm硅环,它由八根径向布置的适当辐条所支撑，这些辐条被锚固到10mm×10mm的支架框上。

载流导体仅堆放在顶面，并组成图案，而线束则位于支架框外面。

芯片阳极粘合在玻璃固定架上，以适应硅散发的热量。

有八条按各自图案绑扎的相同导电回路，1/8环段四周沿支腿长度有线束垫，并连接到沿下一个支腿长度的线束垫。

硅基材在电气上也要相连接，以提供地平面(零电平)。

该传感元件中所用基本振型为cos 2θ振型，名义上等于14kHz。

事实上这是一个相隔45°角的振型对。

陀螺仪设计为谐振型，所以，必须降低这些互补振型之间的频率分割，通常＜fn/2QHz。

此外，硅的晶体对称性消除了来自材料的频率分割影响，因而有助于降低频率分割。

整个立环相对于底座的运动，其最低阶振型约4.5 kHz。

因此，这种振荡器对正常运行过程中所经历的振动输入一般都不敏感。

已利用有限元分析，建立了恒幅振动加速度的模型。

通过20,000 g加速度所施加在振荡器上的最大应力，低于材料断裂极限不止一个数量级。

因此，传感元件非常稳健地抗冲击和运行振动等级。

2.3 驱动和拾取
先前段落中所述导体回路图案，是为了适应Cos 2θ振型图的要求而设计。

这些回路按相隔180°成对出现，以下每一传感元件配备一对回路：初级振型驱动、次级振型驱动、初级振型拾取和次级振型拾取。

这些回路以及垂直于环平面的磁场，提供了驱动与拾取传感器。

磁场由固定磁铁提供，磁路中包括两片磁极。

设计的磁路已将磁铁装于其最大能量点，从而提高其热稳定性并最大化环处的磁场。

2.4 电子控制装置
为了提供足够功能的速率传感器，必须将MEMS壳谐振体与电子控制装置进行组合。

尽管此类系统可按开环方式运行，但按闭环方式运行可获得相当大的性能优势。

因而，相当多的此类速率传感器均采用闭环控制方式。

英国航太系统公司的壳谐振体，不仅正在作为速率传感器运行，而且还可以按速率积分陀螺仪(RIG)模式运行。

此运行模式可为高滚动速率应用提供一些显著优势。

英国航太系统公司的传感器，如果作为速率传感器运行，则采用初级回路控制壳谐振体(环)的振动，而次级回路则提供闭环控制和用于输出测量。

传感器初级回路包括一个维持恒频(谐振频率)振动的锁相环(PLL)，和一个维持恒幅振动的自动增益控制(AGC)环。

通过转动，能量从初级模式耦合到次级模式。

次级回路用于使该次级振动保持为零。

测量能量从初级模式耦合到次级模式所需的驱动总量，从而测量所施加的速率。

次级回路包括两部分，比率环和求积分环。

利用求积环显著减小了初级与次级模式间频差所致零正交运动误差。

自动增益控制环和次级回路组合，也适用于消除传感器标度因子误差所致误差源相关的Q 值。

为了弄明白闭环电子装置细节和速率传感系统内存在的误差激励源，英国航太系统公司已研制全面误差模型。

该模型包括了诸如频率分割、ΔQ、电极错位和电极图样式案错边，以及电子增益、相和串扰误码之类物理误差。

该模型在分析实施的不同电子控制装置中，作为关键工具，并在研制SiIMU02TM的数字控制环中，也一直是至关重要的。

2.5 控制环装置
如前所述，壳谐振体象任何其它速率传感器一样，探测模拟量，并由此始终固有地处理模拟信号量。

不过，在设计主要控制环装置时，壳谐振体在功能上和所能获得性能方面，具有显著优势。

这是SiIMU02TM陀螺仪设计的依据。

2.5.1 模拟控制环
在英国航太系统公司最早的电子装置设计中，均利用模拟电子装置来实现所有功能。

这涉及到拾取回路中的模拟精密模拟电路、初、次级回路中的载波信号解调、有源滤波器装置环控制(即，稳定性、频率响应、带宽整定等)、生成激励和输出调整。

按照生产要求，在英国航太系统公司的MEMS传感器装置中增加复合信号模拟ASIC(专用集成电路)（如图2），更适合所要求的高速生产。

与Atmel(美国爱特梅尔)公司协作设计了ASIC，且现已大规模生产。

该装置提供了所有控制环和陀螺仪的校准电子装置和添加的某些低噪声拾取放大器，可获得紧凑的模拟陀螺仪。

将速率陀螺仪添加到SiRR01TM和SiIMU01TM产品的就是这种系统。

尽管ASIC装置为低成本小型装置提供了理想基础，但其仍受到与模拟电子装置所述的相同限制。

2.5.2 数字控制环
为了加深对数字装置中所涉及系统问题的理解以及证实设计原理，对电子装置、软件和振荡器集成，采用了分段方法。

该方法的初步设计得出了英国航太系统公司数字速率陀螺仪的“原理证明”。

通过对软件进行某些小改动，就可利用相同的硬件证明速率积分陀螺仪(RIG)，并按照类似原理证明可变速率范围陀螺仪(VRRG)。

用户程序要求在高滚动速率下运行IMU(大于10,000°/s)，促进了
将该证明原理归并到SiARSTM产品家族中。

这些产品采用了基于传统双轴速率陀螺仪的ASIC，传统双轴速率陀螺仪带有滚动轴中的数字环装置，这种产品具有按可变速率范围模式和速率积分陀螺模式配置的数字滚动轴。

这些产品在其相应的滚动速率应用中具有卓越性能，已成功地在一些导弹程序中对硬件进行了大范围的循环试验。

2.5.3 性能
在SiIMU02TM数字陀螺环设计的开发过程，在将其归并到SiIMU02TM系统中之前，已进行了大量试验，偏置试验结果显示了利用英国航太系统公司深度补偿技术校准之后，数值环陀螺仪的残余偏置。

试验时，使该陀螺仪一直经受－40℃与+80℃之间的温度循环，历时18h。

所采集数据已用于计算补偿系数(校准运行)，然后，利用不同的温度分布，再将该系数用于二次运行，以验证校准(检查运行)。

因此，这些结果反映了总偏置性能，包括运行稳定性、偏置漂移和SiIMU02TM速率通道的导通-导通误差。

所达到性能显示了标准偏差为32°/h和检查运行的最大误差为70°/h。

在250Hz下，采集了80min标准速率范围数字陀螺仪的噪声性能数据。

艾伦方差曲线显示了非稳定运行中的陀螺仪偏置，指示可达到小于1°/h的数值。

导通偏置瞬变也一直是大范围试验的主题。

试验已表明，90°/h的初始残余偏置误差在通电60s内减少至20°/h。

3 加速度计技术
为了适应大量商业化成品的MEMS加速度计，已设计了SiIMU02TM产品。

英国航太系统公司还在研制其自己的MEMS加速度计，SiACC01TM作为其线路图的一部分，实现了更小和更好的传感器及IMU。

4 构造设计
SiIMU02TM产品的构造设计方案基于已证明的设计原理。

此方法已开发了多年，并得益于英国航太系统公司在设计IMU结构，尤其是在设计与射弹发射有关的高G环境方面的广泛理论与实践知识。

4.1 Gun Hard证明
英国航太系统公司利用IMU产品和传感器，已进行了150次以上高G发射试验，所有试验用IMU产品和传感器均“可回收”，因此，可观测环境对试件的影响。

Aerobutt设备最为广泛地用于高G试验。

该设备完全能够用加速度大于23,000 G的惯性测量装置进行炮射，并容许回收与记录有关的壳和零部件，从而迅速的获得数据，并分析结果。

英国航太系统公司的这些包括炮射射弹和高振动环境导弹系统的gun-hard技术技术，均已取得了100%成功。

4.2 SilMU02TM内部结构
SilMU02TM方案大约以由3个商业成品(COTS)和3个SiVSG组成内部传感器组件(ISA)为基础。

所有传感器技术均以利用最新
MEMS设计和加工技术的硅为基础。

这就使英国航太系统公司提供的产品，不仅在经历炮射过程的极端高载荷能够抗毁，而且还能够完成所有阶段的系统任务。

与斜轴SiIMU01TM相比，SiIMU02TM采用了与IMU轴同方向的“同轴”设计。

这就容许系统按可变速率范围和速率积分陀螺模式运行，从而适应高滚动速率任务，同时还优化了传感器各轴中的敏感性。

利用粘合材料和相关工艺将传感器(3套陀螺仪和3套加速度计)粘合在传感器底座上，其中，粘合工艺已作为大量数据的直接结果而开发，这些数据从英国航太系统公司已进行的高G炮射试验中获得。

选择用于设计英国航太系统公司内部传感器组件和IMU的粘合剂，对于零部件在高G条件，尤其是炮射冲击下性能的非常关键。

广泛的研究和数据分析，已证明所选材料在炮射应用中非常成功。

炮射抗毁粘合剂技术从传感器内部本身开始，贯穿到包装、附件及最终ISA总成。

正是这种程度的理解和经历，方使英国航太系统公司设计的ISA和IMU能够承受23,000G以上的发射冲击。

4.3 电子设备
为了提高数据可靠性、稳定性和和输出，SilMU02TM的电子装置方案几乎完全数字化。

整套电子设备包括插接3套陀螺仪和数字信号处理器的一个单独软硬复合板组件，以及用于3个加速度计的一趟任选全柔性回路。

利用软硬复合组件板，容许以快捷而简单的手段进行预装测试、检验及设定传感器参数。

软硬复合板互连技术作为英国航太系统公司设计方法的一部分，采用这种方法时，已充分证明其能够在射弹发射和导弹飞行环境中抗毁。

一经试验，该复合板便分离成镶板，合拢在传感器座周围，并成固定状态。

处理器PCB(印刷电路板)也是软硬复合板的一部分，固定在该装置的罩盖与传感器座之间。

利用当前的SiIMU02TM设计，已达到了装置总重小于200g(0.44磅)。

5 结语
英国航太系统公司是一家惯性传感器和测量装置的最主要供应商，其产品用于军事、汽车和商业市场，该公司的第二代MEMS惯性测量装置SiIMU02TM正接近尾声。

已讨论了从早期壳谐振体，历经第一代模拟和半数字IMU到该最新全数字IMU设计的进程。

设计经历炮射相关冲击后仍能抗毁和工作的系统，还一直存在着挑战，以及英国航太系统公司尚应采取方法证明其设计克服了20,000 G。

最后，已简要介绍了未来发展的展望。

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