石英振樑加速度計研究現狀及發展趨勢

畢小偉，杜偉，馬躍飛，常江

北京航天控制儀器研究所

摘要：石英振梁加速度計是一種基於振梁諧振和力頻特性原理的新型全固態慣性傳感器，具有高精度、大量程、低功耗、直接頻率脈衝輸出等突出特點，已被廣泛應用於戰術武器系統。本文簡要介紹了石英振梁加速度計的工作原理、技術特點，梳理了分體式和一體式兩種儀表結構的研究現狀和關鍵技術。結合囯外研究發展趨勢，指出石英振梁加速度計將成為後續達到擺式積分陀螺加速度計精度和抗輻照指標、滿足戰略級需求最有可能的加速度計方案。

關鍵詞：振梁加速度計；戰略級；石英振梁；慣性傳感器

０引言

加速度計是慣性導航和慣性制導系統的基本測量元件，安裝在彈（箭）內部，測量彈（箭）的運動加速度，並通過對加速度的積分求得其速度和位置。因此，加速度計的性能和精度直接影響著導航和制導系統的精度。

軍用加速度計主要包括擺式積分陀螺加速度計（Pendulous Integral Gyroscope Accelerometer，PIGA）、擺式加速度計、振梁加速度計及微機電加速度計等類型。隨著材料科學、工藝技術的快速發展，加速度計正朝著高精度、高可靠、小型化、低成本的方向發展。

從慣性系統應用的角度來看，擺式積分陀螺加速度計仍然是高精度的主流技術方案，代表著加速度計的最高水平。導航和戰術級領域是擺式加速度計和振梁加速度計的主陣地，兩種加速度計得到了廣泛應用。目前，微機電加速度計逐步開始進入戰術級應用領域。

在這幾類加速度計中，由於石英晶體材料的振梁加速度計採用了無摩擦結構的諧振原理及抗輻照優勢，大大提高了儀表的可靠性。同時，直接脈衝頻率輸出的優勢降低了擺式加速度計應用中I/F轉換帯來的精度損失。石英振梁加速度計成為繼擺式積分陀螺加速度計後實現高精度、高可靠最有可能的方案，引起了廣泛關注和深入研究。

１工作原理及特點

石英振梁加速度計是一種基於石英振梁力頻特性的新型高精度固態傳感器，其工作原理如１所示。激振電路對石英振梁進行壓電激勵，使其在諧振頻率點處形成彎曲振動，質量塊將外界的輸入加速度轉換成作用在振樑上的軸向力。結合振梁的力頻特性，通過改變振梁的剛度使其諧振頻率發生變化，檢測兩個振梁的頻率差獲得加速度的大小和方向信息。

石英振梁加速度計敏感結構沿襲了傳統加速度計擺式檢測質量的設計理念，撓性支撐結構使得檢測質量只能繞一個與輸入軸垂直的方向進行轉動，降低了儀表的交叉耦合誤差。採用振梁推輓結構和頻率差模輸出，降低了儀表的零偏和二階非線性，提高了儀表的標度因數。該結構的設計能大大降低溫度、非慣性應力等共模誤差影響，從而提升了儀表的精度。

石英振梁加速度計相比於擺式積分陀螺加速度計、擺式加速度計而言，零件數更少，功耗更低。敏感結構除了兩根諧振梁納米級的微弱振動外，沒有其他的機械磨損部件，也使其具有更長的平均失效時間和更高的可靠性。

２研究現狀

國外的石英振梁加速度計的研究始於20世紀80年代，發展到90年代後期基本成熟，並形成了不同應用領域的系列化產品，從導航、飛行控制等中低精度領域擴展到重力測量等高精度領域，研究機構以美國Honeywell公司和法國宇航研究院（ONERA）為代表。

從結構上區分，石英振梁加速度計有分體式和一體式兩種形式。如圖2（a）所示，分體式結構由雙端固定石英振梁、撓性支撐結構等組成。其優點是石英振梁、撓性支撐結構單獨完成加工，工藝相對簡單，但裝配工藝較複雜，且存在著材料、聯接方式對儀表精度的影響。如圖2（b）所示，一體式結構是在一片石英基片上完成振梁、撓性支撐和隔離框架的製作，其優點是避免了由於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。但其缺點在於芯片製作工藝難度大，成品率低，後續需要進行真空封裝。

2.1 分體式結構

美國主要開展分體式結構的相關研究，以Honeywell公司為代表，其典型產品為RBA500，如圖3（a）所示。其採用了單檢測質量和雙振梁的推輓結構，有效消除了共模誤差。同時，為了改善儀表的溫度特性，檢測質量採用與石英材料熱脹係數相近的合金材料，並増加儀表內部溫度監測，用於系統的建模和補償。RBA500的主要技術指標為：偏值年重複性優於4mg，標度因數為80Hz/g，年重複性優於450x10

^-6，年產量約11.8萬隻。該產品定位中低精度戰術武器，與激光陀螺或光纖陀螺配合應用於美國HG1700、HG1900慣導系統。

美國Sundstrand Data Control公司（後被Allied Signal公司收購）採用分體式推輓結構，研製了小量程、高精度的石英振梁加速度計Accelerex，成功用於測量地球重力場亞微度g的變化。在儀表結構及數據處理方法沒有優化的情況下，48h內測量誤差的標準偏差僅為4.8x10^-8g，展示了振梁加速度計在高分辨率重力測量上的巨大潛力。

美國Allied Signal公司（後被Honeywell公司收購）在美囯陸軍導彈司令部主管的先進動能導彈（ADKEM）項目支持下，設計了一款量程為1200g、分辨率為1mg的大動態範圍石英振梁加速計，性能測試結果驗證了石英振梁加速度計在大機動、高過載的戰術武器制導系統的重要應用。

此外，Honeywell公司在戰略級慣性儀表和石英振梁加速度計研製經驗的基礎上，2006年開始和美國空軍研究實驗室（AFRL）合作，開展了戰略級石英振梁加速度計（Strategic Resonating Beam Accelerometer，SRBA）的研製工作。如圖3（b）所示，Honeywell公司已經完成了第一批次SRBA原理樣機研製，且很多性能已經達到擺式積分陀螺加速度計的水平。相比於量產型的RBA500，SRBA選用更大的檢測質量和諧振器，以獲得優良的偏置穩定性和低噪聲。此外，SRBA檢測量材料選用單晶石英晶體，具有優異的結構穩定性、彈性線性度及和諧振梁匹配的熱膨脹係數，單晶石英晶體檢測質量的選取能提高儀表長期穩定性、瞬時翻轉特性及溫度特性。

圖3 Honeywell公司研製的分體式產品

2.2 —體式結構

法國宇航研究院（ONERA）在20世紀90年代提出了一體式石英振梁加速度計的初步方案，主要思路是在一片石英基片上完成振梁、敏感質量和隔離框架的製作，避免了因材料不同帶來的熱匹配問題，並實現了結構小型化。其核心敏感器件石英振梁採用單梁結構，相比於雙梁結構，標度因數提升1倍。

ONERA對一體式石英振梁加速度計進行了深入的理論分析和工程化研究，對結構不斷優化和完善。2006年，儀表樣機的量程為±100g，精度約為300μg。2014年，文獻報道ONERA於2008年將相關專利技術轉讓給了iXblue公司。經過多年的技術消化和發展，iXblue公司於2019年推出了一體式石英振梁加速度計產品iXal A5，如圖4所示。iXal A5兩款加速度計的量程分別為±50g和±80g。工作溫度為-32℃~+70℃，偏值年重複性優於1mg，偏值溫度誤差為300μg，標度因數為19Hz/g~25Hz/g，年重複性優於300x10^-6

，溫度誤差為100x10^-6 。

在高分辨率研究方面，ONERA通過增大質量和降低量程，研製成了50ng分辨率的一體式振梁加速度計樣機，如圖5所示。在±10g的量程內，該樣機的標度因數達到440Hz/g。

2018年，ONERA研製了一種達到導航級精度的一體式振梁加速度計樣機，如圖6所示。該加速度計在一片石英晶片上設計了兩個差分工作的敏感結構，一階模態頻率約為3000Hz。在-40℃~+80℃的範圍內，經過溫度補償後的偏值重複性為33μg，標度因數重複性17x10^-6，偏值短期穩定性達到了1μg。

3 關鍵技術

3.1 石英振梁

石英振梁是振梁加速度計的核心器件，作為力頻轉換器件，其早期主要用於測力傳感器。常用的結構有單梁和雙梁兩種，如圖7所示。振梁設計涉及晶片切型、振動頻率、振動模態、激勵電極、寄生振動抑制、工藝可行性等方面。

振梁加工流程一般如圖8所示。晶體刻蝕可採用幹法、溼法或乾溼法結合等加工方式，石英晶體的各向異性會使振梁在刻蝕過程中出現側稜，側稜會對梁的振動穩定性及儀表精度帶來一定影響。通過優化刻蝕工藝參數，能夠減小側稜結構，保證梁結構的微納加工精度。

3.2 撓性支撐

撓性支撐的作用是將輸入加速度的變化轉換成振梁受力的變化，進而產生輸出頻率的變化，一般採用強度極限大、疲勞強度高、無磁、加工工藝性好的彈性合金、石英等材料。撓性支撐的設計結合工藝加工可採用平橋式或圓弧式，如圖9所示。作為石英振梁加速度計的關鍵零件，撓性接頭加工的厚度、剛度及對稱性直接影響著儀表的精度水平。

3.3 驅動電路

驅動電路是和石英振梁相匹配，以實現振梁在諧振頻率點處的振動。驅動電路頻率跟隨振梁固有頻率，且隨加速度改變而變化。振梁的輸出信號被緩衝整形以便輸出信號與數字元件相匹配，從而能夠用數字計數器檢測並進行系統級的數據處理。

3.4 裝配及封裝

精密裝配是石英振梁加速度計實現高精度及可靠性的保證，涉及高精度對準、低應力聯接、應力隔離釋放等技術。儀表應實現氣密封裝，內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Q值、降低氣體阻尼和振梁等效電阻。

4 發展趨勢

如表1所示，根據石英振梁加速度計的產品特點和國外發展情況，依據精度及應用場景不同，發展形成了層次化、系列化的產品。

表1 石英振梁加速度計應用領域及產品特點

在高精度應用領域，隨著未來戰爭中導彈射程的不斷增加以及對純慣性導航的迫切需求，石英振梁加速度計的發展趨勢是朝著高精度、高可靠、戰略級應用方向。2006年，美國啟動了戰略級石英振梁加速度計的研製工作。同時，法國也開始提升其導航級產品性能，以期達到戰略級指標要求。表2給出了戰略級石英振梁加速度計的關鍵設計及技術重點。

表2 戰略級石英振梁加速度計的關鍵設計及技術重點

5 結論

石英振梁加速度計是一種基於振梁力頻特性的新型數字化慣性傳感器，具有精度高、體積小、功耗低、分辨率高、響應快、可靠性好、成本低、過載能力強等突出優點，在戰術級武器系統上得到了廣泛應用。同時，基於石英振梁天然的無摩擦結構及直接脈衝頻率輸出的特點，石英振梁加速度計將成為繼PIGA後實現高精度、高可靠、戰略級應用最有可能的方案，成為未來高精度軍用加速度計研究的熱點。