石英振梁加速度计研究现状及发展趋势

毕小伟，杜 伟，马跃飞，常 江

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

0 引言

加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件,安装在弹（箭）内部,测量弹（箭）的运动加速度,并通过对加速度的积分求得其速度和位置。因此,加速度计的性能和精度直接影响着导航和制导系统的精度[1]。

军用加速度计主要包括摆式积分陀螺加速度计（Pendulous IntegralGyroscope Accelerometer,PIGA）、摆式加速度计、振梁加速度计及微机电加速度计等类型。随着材料科学、工艺技术的快速发展,加速度计正朝着高精度、高可靠、小型化、低成本的方向发展。

从惯性系统应用的角度来看,摆式积分陀螺加速度计仍然是高精度的主流技术方案,代表着加速度计的最高水平。导航和战术级领域是摆式加速度计和振梁加速度计的主阵地,两种加速度计得到了广泛应用。目前,微机电加速度计逐步开始进入战术级应用领域。

在这几类加速度计中,由于石英晶体材料的振梁加速度计采用了无摩擦结构的谐振原理及抗辐照优势,大大提高了仪表的可靠性。同时,直接脉冲频率输出的优势降低了摆式加速度计应用中I/F转换带来的精度损失。石英振梁加速度计成为继摆式积分陀螺加速度计后实现高精度、高可靠最有可能的方案,引起了广泛关注和深入研究。

1 工作原理及特点

石英振梁加速度计[2]是一种基于石英振梁力频特性的新型高精度固态传感器,其工作原理如图1所示。激振电路对石英振梁进行压电激励,使其在谐振频率点处形成弯曲振动,质量块将外界的输入加速度转换成作用在振梁上的轴向力。结合振梁的力频特性,通过改变振梁的刚度使其谐振频率发生变化,检测两个振梁的频率差值获得加速度的大小和方向信息。

图1 石英振梁加速度计的工作原理Fig.1 Working principle of QVBA

石英振梁加速度计敏感结构沿袭了传统加速度计摆式检测质量的设计理念,挠性支撑结构使得检测质量只能绕一个与输入轴垂直的方向进行转动,降低了仪表的交叉耦合误差。采用振梁推挽结构和频率差模输出,降低了仪表的零偏和二阶非线性,提高了仪表的标度因数。该结构的设计能大大降低温度、非惯性应力等共模误差影响,从而提升了仪表的精度。

石英振梁加速度计相比于摆式积分陀螺加速度计、摆式加速度计而言,零件数更少,功耗更低。敏感结构除了两根谐振梁纳米级的微弱振动外,没有其他的机械磨损部件,也使其具有更长的平均失效时间和更高的可靠性。

2 研究现状

国外的石英振梁加速度计的研究始于20世纪80年代,发展到90年代后期基本成熟,并形成了不同应用领域的系列化产品,从导航、飞行控制等中低精度领域扩展到重力测量等高精度领域,研究机构以美国Honeywell公司和法国宇航研究院（ONERA）为代表。

从结构上区分,石英振梁加速度计有分体式和一体式两种形式。如图2（a）所示,分体式结构由双端固定石英振梁、挠性支撑结构等组成。其优点是石英振梁、挠性支撑结构单独完成加工,工艺相对简单,但装配工艺较复杂,且存在着材料、联接方式对仪表精度的影响。如图2（b）所示,一体式结构是在一片石英基片上完成振梁、挠性支撑和隔离框架的制作,其优点是避免了由于材料不同引起的热匹配问题,具有更高的精度,且体积更小,更易集成装配。但其缺点在于芯片制作工艺难度大,成品率低,后续需要进行真空封装。

2.1 分体式结构

图2 石英振梁加速度计的结构Fig.2 Structure of QVBA

美国主要开展分体式结构的相关研究,以Honeywell公司为代表, 其典型产品为 RBA500[3], 如图3（a）所示。其采用了单检测质量和双振梁的推挽结构,有效消除了共模误差。同时,为了改善仪表的温度特性,检测质量采用与石英材料热胀系数相近的合金材料,并增加仪表内部温度监测,用于系统的建模和补偿。RBA500的主要技术指标为：偏值年重复性优于4mg,标度因数为80Hz/g,年重复性优于450×10-6,年产量约11.8万只。该产品定位中低精度战术武器,与激光陀螺或光纤陀螺配合应用于美国 HG1700、HG1900惯导系统[4-5]。

美国Sundstrand Data Control公司（后被 Allied Signal公司收购）采用分体式推挽结构,研制了小量程、高精度的石英振梁加速度计Accelerex,成功用于测量地球重力场亚微g的变化。在仪表结构及数据处理方法没有优化的情况下,48h内测量误差的标准偏差仅为4.8×10-8g,展示了振梁加速度计在高分辨率重力测量上的巨大潜力[6]。

美国Allied Signal公司（后被Honeywell公司收购）在美国陆军导弹司令部主管的先进动能导弹（ADKEM）项目支持下,设计了一款量程为1200g、分辨率为1mg的大动态范围石英振梁加速度计,性能测试结果验证了石英振梁加速度计在大机动、高过载的战术武器制导系统的重要应用[7]。

此外,Honeywell公司在战略级惯性仪表和石英振梁加速度计研制经验的基础上,2006年开始和美国空军研究实验室（AFRL）合作,开展了战略级石英振梁加速度计（Strategic Resonating Beam Accelerometer,SRBA）的研制工作。 如图 3（b）所示,Honeywell公司已经完成了第一批次SRBA原理样机研制,且很多性能已经达到摆式积分陀螺加速度计的水平[8-9]。相比于量产型的RBA500,SRBA选用更大的检测质量和谐振器,以获得优良的偏置稳定性和低噪声。此外,SRBA检测质量材料选用单晶石英晶体,具有优异的结构稳定性、弹性线性度及和谐振梁匹配的热膨胀系数,单晶石英晶体检测质量的选取能提高仪表长期稳定性、瞬时翻转特性及温度特性。

图3 Honeywell公司的研制的分体式产品Fig.3 Products of separated structure developed by Honeywell

2.2 一体式结构

法国宇航研究院（ONERA）在20世纪90年代提出了一体式石英振梁加速度计的初步方案[10],主要思路是在一片石英基片上完成振梁、敏感质量和隔离框架的制作,避免了因材料不同带来的热匹配问题,并实现了结构小型化。其核心敏感器件石英振梁采用单梁结构,相比于双梁结构,标度因数提升1倍。

ONERA对一体式石英振梁加速度计进行了深入的理论分析和工程化研究[11-15],对结构不断优化和完善。2006年,仪表样机的量程为±100g,精度约为300μg。2014年,文献报道ONERA于2008年将相关专利技术转让给了iXblue公司[16]。经过多年的技术消化和发展,iXblue公司于2019年推出了一体式石英振梁加速度计产品iXal A5,如图4所示。iXal A5两款加速度计的量程分别为±50g和±80g,工作温度为-32℃～+70℃,偏值年重复性优于1mg,偏值温度误差为300μg,标度因数为19Hz/g～25Hz/g,年重复性优于300×10-6,温度误差为100×10-6。

图4 iXblue公司研制的一体式石英振梁加速度计Fig.4 Monolithic QVBA developed by iXblue

在高分辨率研究方面,ONERA通过增大质量和降低量程,研制成了50ng分辨率的一体式振梁加速度计样机[17],如图 5所示。在±10g的量程内,该样机的标度因数达到440Hz/g。

图5 高分辨率一体式石英振梁加速度计芯片及样机Fig.5 Chip and prototype of monolithic QVBA in high resolution

2018年,ONERA研制了一种达到导航级精度的一体式振梁加速度计样机[18],如图6所示。该加速度计在一片石英晶片上设计了两个差分工作的敏感结构,一阶模态频率约为3000Hz。在-40℃～+80℃的范围内,经过温度补偿后的偏值重复性为33μg,标度因数重复性为17×10-6,偏值短期稳定性达到了1μg。

图6 导航级一体式石英振梁加速度计芯片及样机Fig.6 Chip and prototype of monolithic QVBA in navigation level

3 关键技术

3.1 石英振梁

石英振梁是振梁加速度计的核心器件,作为力频转换器件,其早期主要用于测力传感器。常用的结构有单梁和双梁两种,如图7所示。振梁设计涉及晶片切型、振动频率、振动模态、激励电极、寄生振动抑制、工艺可行性等方面。

图7 石英振梁两种结构的对比Fig.7 Comparison of two structures of quartz vibrating beam

振梁加工流程一般如图8所示。晶体刻蚀可采用干法、湿法或干湿法结合等加工方式,石英晶体的各向异性会使振梁在刻蚀过程中出现侧棱,侧棱会对梁的振动稳定性及仪表精度带来一定影响。通过优化刻蚀工艺参数,能够减小侧棱结构,保证梁结构的微纳加工精度。

图8 石英振梁成型工艺流程Fig.8 Forming process of quartz vibrating beam

3.2 挠性支撑

挠性支撑的作用是将输入加速度的变化转换成振梁受力的变化,进而产生输出频率的变化,一般采用强度极限大、疲劳强度高、无磁、加工工艺性好的弹性合金、石英等材料。挠性支撑的设计结合工艺加工可采用平桥式或圆弧式,如图9所示。作为石英振梁加速度计的关键零件,挠性接头加工的厚度、刚度及对称性直接影响着仪表的精度水平。

图9 挠性支撑两种结构形式Fig.9 Two structure forms of flexure

3.3 驱动电路

驱动电路是和石英振梁相匹配,以实现振梁在谐振频率点处的振动。驱动电路频率跟随振梁固有频率,且随加速度改变而变化。振梁的输出信号被缓冲整形以便输出信号与数字元件相匹配,从而能够用数字计数器检测并进行系统级的数据处理。

3.4 装配及封装

精密装配是石英振梁加速度计实现高精度及可靠性的保证,涉及高精度对准、低应力联接、应力隔离释放等技术。仪表应实现气密封装,内腔气压的选取一方面要保证仪表具有一定的压膜阻尼,另一方面要考虑提高振梁振动Q值、降低气体阻尼和振梁等效电阻。

4 发展趋势

如表1所示,根据石英振梁加速度计的产品特点和国外发展情况,依据精度及应用场景不同,发展形成了层次化、系列化的产品。

表1 石英振梁加速度计应用领域及产品特点Table 1 Application fields and product characteristics of QVBA

在高精度应用领域,随着未来战争中导弹射程的不断增加以及对纯惯性导航的迫切需求,石英振梁加速度计的发展趋势是朝着高精度、高可靠、战略级应用方向。2006年,美国启动了战略级石英振梁加速度计的研制工作。同时,法国也开始提升其导航级产品性能,以期达到战略级指标要求。表2给出了战略级石英振梁加速度计的关键设计及技术重点。

表2 战略级石英振梁加速度计的关键设计及技术重点Table 2 Key designs and technical points of QVBA in strategic level

5 结论

石英振梁加速度计是一种基于振梁力频特性的新型数字化惯性传感器,具有精度高、体积小、功耗低、分辨率高、响应快、可靠性好、成本低、过载能力强等突出优点,在战术级武器系统上得到了广泛应用。同时,基于石英振梁天然的无摩擦结构及直接脉冲频率输出的特点,石英振梁加速度计将成为继PIGA后实现高精度、高可靠、战略级应用最有可能的方案,成为未来高精度军用加速度计研究的热点。