深度分析MEMS固體波動(dòng)陀螺諧振子現(xiàn)狀及發(fā)展

慣性技術(shù)是一項(xiàng)可自主連續(xù)、全方位、全時(shí)空、不受外界干擾、敏感控制載體姿態(tài)軌跡的技術(shù)，其產(chǎn)品包括陀螺儀、加速度計(jì)等慣性?xún)x表及其所構(gòu)成的各類(lèi)系統(tǒng)和相應(yīng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)與制造技術(shù)。在所有導(dǎo)航系統(tǒng)中只有慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是不依賴(lài)于任何外部信息、也不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)。因此，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隱蔽性好，不受外界電磁干擾的影響，可全天候、全時(shí)間地工作于空中和地球表面乃至水下，提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)。隨著國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的深入實(shí)施，我國(guó)從大國(guó)向強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，迫切需要提高慣性技術(shù)研發(fā)水平和切實(shí)加快慣性敏感器、慣性導(dǎo)航制導(dǎo)及慣性測(cè)量等技術(shù)的研究與成果轉(zhuǎn)化。

MEMS固體波動(dòng)陀螺儀采用特有的中心軸對(duì)稱(chēng)的敏感結(jié)構(gòu)，使其具備全角測(cè)量能力，即直接測(cè)量輸入角度。相比于傳統(tǒng)的角速度測(cè)量方式，角度信息需要通過(guò)對(duì)角速度信號(hào)進(jìn)行積分求得，MEMS固體波動(dòng)陀螺儀直接測(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)模式的微機(jī)械陀螺儀具有更好的性能。中心軸對(duì)稱(chēng)敏感結(jié)構(gòu)使MEMS固體波動(dòng)陀螺儀對(duì)環(huán)境變量（溫度和振動(dòng)等）不敏感，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。而且MEMS固體波動(dòng)陀螺儀便于批量生產(chǎn)，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)。

國(guó)內(nèi)MEMS固體波動(dòng)陀螺儀始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)多年研究，目前，國(guó)內(nèi)的MEMS固體波動(dòng)陀螺儀性能取得了比較大的進(jìn)步，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所及北京微電子研究所等單位正開(kāi)展MEMS固體波動(dòng)陀螺儀的抗振性能、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化、在軌標(biāo)定、壽命預(yù)測(cè)、可靠性和空間環(huán)境適應(yīng)能力等方面的研究。但MEMS固體波動(dòng)陀螺儀的整體性能，尤其是敏感元件（諧振子）品質(zhì)因數(shù)（Q值）與國(guó)外相比還有很大差距，少有商業(yè)化產(chǎn)品。而國(guó)外的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)很成熟，特別是美國(guó)Northrop Grumman和法國(guó)Sagem兩大巨頭公司。另外，國(guó)內(nèi)高端MEMS固體波動(dòng)陀螺儀的環(huán)境適應(yīng)性一直是應(yīng)用瓶頸，需要通過(guò)敏感結(jié)構(gòu)、制造工藝與處理算法的集成創(chuàng)新，并與應(yīng)用緊密結(jié)合來(lái)解決，其中一個(gè)重要的措施就是高Q值技術(shù)。高Q值是提高陀螺儀靈敏度的重要途徑，是未來(lái)高精度MEMS陀螺儀的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。開(kāi)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高Q值諧振子材料的研制以及MEMS固體波動(dòng)陀螺儀諧振子的2D及3D超精密制備工藝，將是提高M(jìn)EMS固體波動(dòng)陀螺儀品質(zhì)因數(shù)和環(huán)境適應(yīng)性、解決我國(guó)高端戰(zhàn)略裝備應(yīng)用的有效途徑。

1 MEMS固體波動(dòng)陀螺儀中諧振子材料的研究現(xiàn)狀1. 1 MEMS固體波動(dòng)陀螺儀常用諧振子材料MEMS陀螺諧振子的傳統(tǒng)制備材料主要是熔融石英、硅（Si）和氧化硅（SiO2）等，由于硅材料可以進(jìn)行批量化及微型化的MEMS工藝制作，因此，許多傳統(tǒng)微諧振陀螺儀使用硅進(jìn)行制作。但硅的機(jī)械性能不高，且熱膨脹系數(shù)（-50～80℃） 比較高，導(dǎo)致基于微硅的中心軸對(duì)稱(chēng)微諧振陀螺敏感元件（諧振子）的Q值難以提高，精度只能達(dá)到速率級(jí)（商業(yè)級(jí)），無(wú)法滿足現(xiàn)代衛(wèi)星、航空航天及裝備對(duì)高精度微陀螺敏感元件的要求，只能應(yīng)用在消費(fèi)電子產(chǎn)品中。熔融石英和SiO2，尤其是熔融石英（高純SiO2），由于具有相對(duì)低且穩(wěn)定的熱膨脹系數(shù)（-50～80℃），基于熔融石英的微陀螺諧振子的Q值可達(dá)93萬(wàn)。雖然可以通過(guò)微玻璃吹制法和犧牲層法等制備出高Q值的熔融石英和SiO2微諧振陀螺儀，但微玻璃吹制法中火焰吹制需要超高定位精度和加工精度的加工平臺(tái)，而高溫爐吹制法制備的諧振子壁厚較大，且兩種微玻璃吹制法都需要配合后期的研磨，結(jié)構(gòu)一致性難以保證。而犧牲層法中使用的刻蝕模具槽的對(duì)稱(chēng)性和粗糙度將隨著槽深度的增加而變差，導(dǎo)致制備的諧振子結(jié)構(gòu)一致性難以保證。另外，基于熔融石英的微諧振陀螺儀通常還需要在石英諧振子表面涂覆一層導(dǎo)電層，這也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的一致性變差，極大地降低諧振子的Q值。因此，要想大幅提高諧振子的Q值，從根本上去選擇Q值高的諧振子結(jié)構(gòu)材料是一個(gè)非常重要的解決途徑。

1. 2 MEMS固體波動(dòng)陀螺儀多晶金剛石諧振子表1為金剛石、硅和熔融石英等材料在298 K下的物性參數(shù)對(duì)比。如表1所示，與硅和熔融石英等材料相比，金剛石具有強(qiáng)度、硬度和彈性模量高、熱彈性膨脹系數(shù)低以及最高的熱導(dǎo)率等一系列優(yōu)異特性。這些特性使金剛石導(dǎo)熱率高、耐腐蝕性好、儲(chǔ)運(yùn)能力好、熱彈性阻尼極低，從而使金剛石諧振子不僅機(jī)械性能很高，而且抗沖擊能力和儲(chǔ)運(yùn)能力很強(qiáng)，具有超高的Q值和優(yōu)質(zhì)因數(shù)（材料固有頻率x Q），綜合性能優(yōu)異。因此，世界上主要國(guó)家如美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、日本、瑞士和中國(guó)等都在大力開(kāi)展基于金剛石的新一代陀螺儀研究。表1 金剛石、硅和熔融石英等材料的物性參數(shù)

美國(guó)UC Davis和UC Berkeley聯(lián)合研究小組在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的資助下，通過(guò)將傳統(tǒng)的Si基MEMS工藝和CVD多晶金剛石（PCD）技術(shù)有機(jī)結(jié)合，制備了PCD半球諧振子陣列（圖1），制備的PCD半球諧振子具有較高的Q值。而且，該P(yáng)CD諧振子的相關(guān)制備工藝成熟穩(wěn)定，可以進(jìn)行批量化制備。之后，該研究小組改進(jìn)了工藝，諧振子結(jié)構(gòu)從半球狀改為圓柱狀，并結(jié)合深反應(yīng)離子刻蝕工藝，研制的PCD圓柱諧振子（CR）Q值進(jìn)一步提高，超過(guò)0.52 M。美國(guó)的德雷伯實(shí)驗(yàn)室（Draper Lab）和MIT的聯(lián)合研究小組也利用MEMS工藝結(jié)合CVD技術(shù)制備了PCD半球諧振子，其Q值超過(guò)0.4 M，衰蕩時(shí)間更是超過(guò)15 s。

圖1 MEMS工藝與CVD技術(shù)結(jié)合制備的PCD諧振子陣列

2 MEMS固體波動(dòng)陀螺儀中諧振子材料的發(fā)展趨勢(shì)2. 1 單晶金剛石在MEMS固體波動(dòng)陀螺儀中的應(yīng)用現(xiàn)狀雖然與其他材料相比，多晶金剛石諧振子的Q值較高、綜合性能較好，但多晶金剛石內(nèi)由于晶界和缺陷多，導(dǎo)致材料內(nèi)部能量損耗較大，諧振子Q值難以繼續(xù)大幅提高。與多晶金剛石相比，單晶金剛石（SCD）沒(méi)有晶界、缺陷少、材料內(nèi)部能量損耗極小。另外，SCD的熱性能更好、晶格內(nèi)的C-C鍵連接更加牢固，有著優(yōu)秀的耐磨損特性和穩(wěn)定惰性的表面，因此SCD的能量耗散更低。此外，SCD具有更高的強(qiáng)度和彈性模量、更強(qiáng)的耐高溫和腐蝕能力，可使陀螺儀在更極端環(huán)境下正常工作且更耐儲(chǔ)運(yùn)。同時(shí)，通過(guò)表面處理可以實(shí)現(xiàn)金剛石的表面導(dǎo)電，避免了在熔融石英等不導(dǎo)電材料上涂鍍導(dǎo)電層從而導(dǎo)致其Q值下降的問(wèn)題。

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的研究表明，SCD諧振子的熱彈性阻尼損耗僅為PCD諧振子的1/5，其Q值隨溫度的變化呈非線性變化。ETH和MIT的聯(lián)合小組，利用表面硅技術(shù)，制作了Q值超過(guò)百萬(wàn)的單晶金剛石諧振子。而德國(guó)的J. R. Moiler研究小組發(fā)現(xiàn)，用單晶金剛石制備的光子晶體微腔具有共振加強(qiáng)的效應(yīng)，具有超高的品質(zhì)因數(shù)。哈佛和耶魯大學(xué)的聯(lián)合研究小組也發(fā)現(xiàn)，基于單晶金剛石的光學(xué)納米腔具有超高的Q值。

以上研究表明，單晶金剛石諧振子具有超高Q值，是最有前景的MEMS固體波動(dòng)陀螺諧振子的首選材料。然而，單晶金剛石在MEMS中的研究實(shí)例很少，主要因?yàn)楦咂焚|(zhì)器件級(jí)大尺寸單晶金剛石的制備極為困難、單晶金剛石的加工工藝復(fù)雜且難度極高。這兩個(gè)因素使穩(wěn)定地批量制備毫米甚至微米級(jí)的單晶金剛石諧振子非常具有挑戰(zhàn)性。

高品質(zhì)單晶金剛石材料制備工藝?yán)щy，尤其是主雜質(zhì)含量低于10-7的高品質(zhì)器件級(jí)單晶金剛石的制備難度極高，相關(guān)技術(shù)被發(fā)達(dá)國(guó)家的幾個(gè)公司和研究機(jī)構(gòu)壟斷，如：英國(guó)元素六（E6）公司、日本EDP公司和美國(guó)卡內(nèi)基研究所等。由于大尺寸高品質(zhì)器件級(jí)甚至電子級(jí)單晶金剛石材料制備困難，且只有少數(shù)公司能夠制備，因此價(jià)格非常昂貴，嚴(yán)重制約了超高Q值單晶金剛石諧振子的研制攻關(guān)工作。

同時(shí)，單晶金剛石的加工和拋光等工藝也是當(dāng)前世界公認(rèn)的難題，導(dǎo)致單晶金剛石諧振子的制備和相關(guān)研究非常少，相關(guān)的基礎(chǔ)理論、加工和拋光工藝等極度缺乏。目前，世界上僅有美國(guó)、瑞士、德國(guó)以及日本等少數(shù)國(guó)家的個(gè)別研究機(jī)構(gòu)有能力開(kāi)展這一前沿科技研究。到目前為止，我國(guó)尚沒(méi)有研究機(jī)構(gòu)公開(kāi)報(bào)道過(guò)有關(guān)單晶金剛石MEMS固體波動(dòng)陀螺方面的研究。

美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視MEMS慣性系統(tǒng)與器件的研制，美國(guó)DARPA針對(duì)MEMS慣性器件的研制制定了很多具體的計(jì)劃。2011年，DARPA啟動(dòng)了MRIG項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)研制VRG陀螺儀，目的是為高動(dòng)態(tài)的空間裝備提供支撐。2015年，針對(duì)高級(jí)慣性器件DARPA啟動(dòng)PRIGM項(xiàng)目，研制高級(jí)新型低CSWaP慣性微傳感器AIMS，滿足高沖擊和高振動(dòng)環(huán)境要求，是具有高動(dòng)態(tài)范圍、低噪音、高精度的慣性器件。該項(xiàng)目目標(biāo)為探索新型微陀螺3D加工工藝，加工制造出半球形陀螺結(jié)構(gòu)，陀螺儀目標(biāo)性能達(dá)到慣性級(jí)水平，以滿足武器裝備的慣性級(jí)導(dǎo)航、定位、制導(dǎo)等應(yīng)用需求。同時(shí)，DARPA強(qiáng)調(diào)只支持結(jié)構(gòu)上高度對(duì)稱(chēng)的2D或3D的CVG-11型陀螺儀（哥氏振動(dòng)微機(jī)械陀螺儀，主要是微半球陀螺儀）研制，不支持音叉型MEMS陀螺儀。結(jié)合單晶金剛石材料的優(yōu)異性能，可以預(yù)見(jiàn)基于單晶金剛石諧振子的MEMS固體波動(dòng)陀螺儀，如VRG和DRG陀螺儀將是未來(lái)高端MEMS固體波動(dòng)陀螺儀的發(fā)展趨勢(shì)。

2. 2 國(guó)內(nèi)大尺寸高品質(zhì)器件級(jí)單晶金剛石制備和加工現(xiàn)狀中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所功能碳素材料團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上，自主開(kāi)發(fā)微波等離子體CVD沉積金剛石系統(tǒng)，利用自主工藝實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高速外延生長(zhǎng)（亞毫米級(jí)/小時(shí)）。與國(guó)外同類(lèi)型設(shè)備相比，成本降至20%以下。創(chuàng)立的寧波晶鉆工業(yè)科技有限公司已建立起世界第五、國(guó)內(nèi)首條自主研發(fā)設(shè)計(jì)的克拉級(jí)CVD大塊單晶金剛石生產(chǎn)線和超精密金剛石刀具制備線（圖2），打破國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)設(shè)備CVD單晶金剛石工業(yè)化生產(chǎn)“零”的突破，大尺寸高品質(zhì)器件級(jí)單晶金剛石的研制水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。另外，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單晶金剛石超精密研磨和拋光系統(tǒng)（圖3）。

圖2 國(guó)內(nèi)首條CVD單晶金剛石生產(chǎn)線和金剛石大單晶及超精密刀具

圖3 金剛石超精密研磨系統(tǒng)和高品質(zhì)器件級(jí)大尺寸單晶金剛石

中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所激光與智能能量場(chǎng)制造團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年研究攻關(guān)，自主研發(fā)了“5+2”軸激光精密加工系統(tǒng)（圖4）。在LinuxCNC開(kāi)源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，自行編制多種擴(kuò)展模塊，研發(fā)了激光數(shù)字控制專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)。采用納秒激光器和大功率皮秒激光器，結(jié)合五軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與兩軸激光掃描振鏡，初步實(shí)現(xiàn)了宏觀精密定位與局部高速掃描功能，并進(jìn)行了一定的加工路徑優(yōu)化和深度補(bǔ)償研究，初步實(shí)現(xiàn)三維曲面激光加工自動(dòng)對(duì)焦、檢測(cè)功能，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備正在通過(guò)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。

圖4 自主研發(fā)的“5+2”軸激光精密加工系統(tǒng)

利用“5+2”軸激光精密加工系統(tǒng)，對(duì)脆性材料、高溫合金和特種復(fù)合材料等進(jìn)行了大量工藝數(shù)據(jù)積累，在異型孔加工和陶瓷基復(fù)合材料（CMC）加工上取得創(chuàng)新性研究成果。同時(shí)，對(duì)單晶金剛石的激光精密加工工藝進(jìn)行了研究，包括金剛石刀具的激光精密切割、單晶金剛石生長(zhǎng)基體的切片以及復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)單晶金剛石的加工等。在單晶金剛石微槽加工質(zhì)量控制上進(jìn)行了前期的工藝探索（圖5），采用焦距補(bǔ)償和振鏡高速掃描方法，利用532 nm的短脈沖激光在多晶金剛石上實(shí)現(xiàn)了寬度小于120 um、深寬比大于5的微槽陣列的加工（圖6）。表面粗糙度小于2.3 um，熱影響區(qū)面積小于3 um^2，無(wú)微裂紋，微槽寬精度小于6 um。另外，利用“5+2”軸激光精密加工裝備制備了直徑5 mm、厚度50 um、高度3 mm的微半球諧振子坯體，坯體表面質(zhì)量完好，無(wú)微裂紋（圖7）。

圖5 激光精密加工的單晶金剛石微槽

圖6 激光加工的單晶金剛石微槽陣列

圖7 中心軸對(duì)稱(chēng)微陀螺儀單晶金剛石諧振子

綜上可見(jiàn)，從大尺寸高品質(zhì)器件級(jí)單晶金剛石的批量制備、復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)單晶金剛石的三維超精密加工，到后續(xù)的拋光和后處理，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所已經(jīng)有大量的技術(shù)儲(chǔ)備，并有成套設(shè)備可進(jìn)行批量加工和制備，已經(jīng)初步具備了超高Q值單晶金剛石MEMS固體波動(dòng)陀螺儀的制備基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于高品質(zhì)器件級(jí)單晶金剛石諧振子的MEMS固體波動(dòng)陀螺儀將是未來(lái)高精度微陀螺儀的發(fā)展趨勢(shì)，大尺寸高品質(zhì)器件級(jí)單晶金剛石的研制以及MEMS固體波動(dòng)陀螺諧振子的3D超精密加工等是迫切需要解決的技術(shù)難題。超高Q值單晶金剛石MEMS固體波動(dòng)陀螺儀的研制是一項(xiàng)顛覆性技術(shù)；另外，基于單晶金剛石諧振子的MEMS固體波動(dòng)陀螺儀將在無(wú)人飛機(jī)、無(wú)人駕駛汽車(chē)以及未來(lái)的手機(jī)領(lǐng)域獲得巨大應(yīng)用，可提高這些設(shè)備的定位精度。尤其在GPS等導(dǎo)航信號(hào)的盲區(qū)和微弱的地方，可進(jìn)一步發(fā)揮單晶金剛石MEMS固體波動(dòng)陀螺儀的優(yōu)勢(shì)，極大地推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？梢?jiàn)超高Q值單晶金剛石MEMS固體波動(dòng)陀螺儀的研制具有重要的戰(zhàn)略意義。