Page 113 - 航空电子传感器技术的研究与应用

Research and Application of Avionics Sensor Technology
航空电子传感器技术的研究与应用

（2）导航级微机械陀螺
2010 年 1 月，为应对未来战略对抗中的“导航战”，美国国防高级研究计
划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）启动了名为 Micro-

PNT 的研究专项，其技术体系如图 9 所示，其目标是通过研发同时兼具高性能自
主导航、高精度定位、高精度授时功能的系统，来替代现役的卫星导航系统，其
核心研究内容是研制零偏稳定性优于 0.01(° )/h 的高性能微机械陀螺。包含微速
率积分陀螺（MRIG）项目和导航级集成微陀螺（NGIMG）项目，分别重点支持

新原理微陀螺和新工艺新材料微陀螺的研究和开发。目前国际上最为重视微半球
谐振陀螺、碟形谐振陀螺、微型核磁共振原子陀螺等，代表了微机械陀螺技术最
新发展趋势。
在微半球谐振陀螺方面，目前攻关重点是采用金刚石、石英、玻璃合金等高

性能新材料，开发下一代三维微制造工艺，以制备超高精度的微半球谐振元件。
目前，国外已经完成较高性能实验室样机的研制，如 2017 年密歇根大学研制的
微半球谐振陀螺（BRG）样机的零位稳定性达到 0.039(° )/s；国内国防科技大学、
中北大学、中国电科 26 所等单位处于谐振半球微工艺技术攻关阶段，与国外先

进水平还有一定差距。
在碟形谐振陀螺方面，代表产品是嵌套环式振动微陀螺，采用单晶硅（或熔
融石英）的深刻蚀制备工艺，可实现批量制造，并且具有较好的漂移及噪声特性。
2014 年，波音公司的碟形谐振陀螺样机，零偏稳定性小于 0.01(° )/h。目前美国

SIM 公司（JPL、波音联合团队）推出的 SIM-SRG 系列陀螺和 SIM500 惯组产品，
陀螺精度已经达到导航级，零位稳定性最优达到 0.003(° )/h，是目前零位稳定
性最优的微陀螺产品。国内国防科大和兵器 214 所联合开展 DRG 的设计及加工
工艺研究，先后解决了高灵敏度谐振器结构设计、高深宽比深刻蚀、静电修调、
频率匹配等关键技术，目前实验室样机陀螺的角度随机游走已经达到 0.08(° )/

h。磁共振陀螺的研发，该陀螺的原理是利用原子核在磁场中的陀螺式自旋来实
现高精度指向，其核心技术是如何采用 MEMS 工艺技术制备出高精度的核磁共
振腔。早在 2013 年 10 月，美国 Northrop Grumman 公司就公布了一种微型核磁

共振陀螺样机，陀螺零位稳定性达到 0.02(° )/h，是目前世界上体积最小的导航
级核磁共振陀螺，已在“猎户星座”和 T—6B 飞机进行了独立测试，并开始装
备空军。目前国内航天 33 所等单位已经突破了小型化磁共振气室、无磁电加热

98