抗高过载微机械陀螺仪研究综述

摘 要：惯性制导系统在制导炮弹中有着极其重要的作用，其中，微机械陀螺仪作为惯性制导系统的核心器件，其抗高过载能力直接制约着惯性制导系统在抗高过载环境中的应用。首先，对炮射膛内高过载环境进行了建模和量化，概括了微机械陀螺结构的高过载失效机理。其次，结合国内外相关机构公开发表的研究成果，从微机械陀螺仪的抗高过载特性的角度出发，介绍了不同测控方式、不同结构形式、不同结构材料、不同工作原理的微机械陀螺仪的抗冲击能力。最后，对相关报道和论文进行了总结和归纳，提出应从驱动-检测方式、合理的吸能释能结构配置、工作原理、新型结构材料、多级系统缓冲等方面设计和改进高过载微机械陀螺结构，以提高陀螺的抗高过载能力。

关键词：传感器技术；高过载；微机械陀螺；梳齿电容；四波腹振动；硅材料

中图分类号：TP212 文献标志码：A

文章编号：1008-1542（2018）04-0289-10

Abstract：Inertial guidance system plays a very important role in guided artillery. Micro electro mechanical system （MEMS） gyroscope， as the core component of inertial guidance system， has high resistance to overload and restricts the application of inertial guidance system in high overload environment directly. First of all， the high overload environment in the gun chamber is modeled and quantified， and the mechanism of high overload failure of the MEMS gyro structure is summarized. Secondly， based on the previous public research results from different institutes at home and abroad， the anti-high overload MEMS gyroscopes with different monitoring methods， different structural forms， different structural materials and different working principles are introduced from the perspective of anti-overload characteristics of MEMS gyroscopes impact resistance. Finally， the related reports and papers are summarized， and it is pointed out that the anti-high overload MEMS gyroscope should be designed from the aspects of drive-detection mode， reasonable structure of energy-absorbing and energy-dissipating structure， working principle， new structural material and multi-level system buffer methods to improve the anti-high overload ablility.

Keywords：sensor technology； high overload； MEMS gyroscope； comb capacitance； four antinodes vibration； silicon material

目前，常規武器（如火炮，坦克炮）和新型动能武器（如电磁轨道炮）弹药发射后的角速度信息测量是一个公认的难题。究其原因主要是角速度传感器件很难经受高过载环境的冲击，高过载过程对传感器的破坏作用主要有两条途径：一是惯性力的直接冲击，二是高过载产生的应力波对结构的破坏。弹药在发射过程中，炮弹要经历巨大的过载作用以加速到预期的发射初速度，该过载过程的幅度峰值可达20 000g以上（g为重力加速度，下同），作用时间在数十毫秒以内。例如，155 mm榴弹炮在发射过程中产生的最大过载脉冲幅度为20 000g，持续时间5 ms[1]；电磁炮发射过程炮弹所受最大过载幅度为40 000g以上，炮口初速度可达到7马赫[2-3]。通过在炮弹中增加惯性制导模块的方法可为弹道修正提供基准，有效提高弹药的命中精度[4]。因此，很多发达国家已经开展了常规弹药的制导升级工作，并为新型动能武器弹药研制相关的惯性制导模块[2]，其中，美国高级研究计划局（DARPA）更是把抗高过载陀螺仪作为关键器件之一列在了μPNT计划中[5]。

河北科技大学学报2018年第4期曹慧亮，等：抗高过载微机械陀螺仪研究综述随着微机械加工工艺和测控技术的不断成熟，微机械（MEMS）陀螺仪的精度不断提高，同时凭借其体积小、质量轻、成本低、可批量生产、可靠性高等特点，各国都将其作为制导炮弹中角速率传感器的首选[6-9]。但目前微机械陀螺在高过载环境中存在两大问题：一是高过载过程不易存活，即陀螺在过载作用后失效；二是高过载后陀螺性能严重退化，即过载前后陀螺相关参数和性能（零偏值、标度因数值、稳定性等）很难保持一致。本文从高过载微机械陀螺仪角度出发，针对目前公开发表的抗过载微机械陀螺仪方面的研究报道，从结构失效机理、结构形式、测控方法、工作原理、结构材料等方面进行归纳和总结，进一步凝练出微机械陀螺仪抗高过载设计方面的方法，为其早日应用提供支持。