慣性技術是一項可自主連續(xù)、全方位、全時空、不受外界干擾、敏感控制載體姿態(tài)軌跡的技術，其產品包括陀螺儀、加速度計等慣性儀表及其所構成的各類系統(tǒng)和相應的測試實驗與制造技術。在所有導航系統(tǒng)中只有慣性導航系統(tǒng)是不依賴于任何外部信息、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)角數據。隨著國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，我國從大國向強國邁進，迫切需要提高慣性技術研發(fā)水平和切實加快慣性敏感器、慣性導航制導及慣性測量等技術的研究與成果轉化。

MEMS固體波動陀螺儀采用特有的中心軸對稱的敏感結構，使其具備全角測量能力，即直接測量輸入角度。相比于傳統(tǒng)的角速度測量方式，角度信息需要通過對角速度信號進行積分求得，MEMS固體波動陀螺儀直接測量輸入角度，避免了長時間對角速度積分的累計誤差以及角度和角速度模式之間的切換，較傳統(tǒng)角速度檢測模式的微機械陀螺儀具有更好的性能。中心軸對稱敏感結構使MEMS固體波動陀螺儀對環(huán)境變量（溫度和振動等）不敏感，精度高、動態(tài)范圍高、抗沖擊、抗外界干擾能力強，特別符合智能裝備的制導需求。而且MEMS固體波動陀螺儀便于批量生產，可用于未來多種中高精度裝備平臺載體，尤其是高動態(tài)旋轉裝備用慣性導航系統(tǒng)。

國內MEMS固體波動陀螺儀始于20世紀90年代，經過多年研究，目前，國內的MEMS固體波動陀螺儀性能取得了比較大的進步，哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、中國電子科技集團公司第十三研究所、中國電子科技集團公司第二十六研究所及北京微電子研究所等單位正開展MEMS固體波動陀螺儀的抗振性能、動態(tài)性能優(yōu)化、在軌標定、壽命預測、可靠性和空間環(huán)境適應能力等方面的研究。但MEMS固體波動陀螺儀的整體性能，尤其是敏感元件（諧振子）品質因數（Q值）與國外相比還有很大差距，少有商業(yè)化產品。而國外的相關產品已經很成熟，特別是美國Northrop Grumman和法國Sagem兩大巨頭公司。另外，國內高端MEMS固體波動陀螺儀的環(huán)境適應性一直是應用瓶頸，需要通過敏感結構、制造工藝與處理算法的集成創(chuàng)新，并與應用緊密結合來解決，其中一個重要的措施就是高Q值技術。高Q值是提高陀螺儀靈敏度的重要途徑，是未來高精度MEMS陀螺儀的關鍵技術指標之一。開展具有自主知識產權的高Q值諧振子材料的研制以及MEMS固體波動陀螺儀諧振子的2D及3D超精密制備工藝，將是提高MEMS固體波動陀螺儀品質因數和環(huán)境適應性、解決我國高端戰(zhàn)略裝備應用的有效途徑。

1 MEMS固體波動陀螺儀中諧振子材料的研究現狀1. 1 MEMS固體波動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行制作。但硅的機械性能不高，且熱膨脹系數（-50～80℃） 比較高，導致基于微硅的中心軸對稱微諧振陀螺敏感元件（諧振子）的Q值難以提高，精度只能達到速率級（商業(yè)級），無法滿足現代衛(wèi)星、航空航天及裝備對高精度微陀螺敏感元件的要求，只能應用在消費電子產品中。熔融石英和SiO2，尤其是熔融石英（高純SiO2），由于具有相對低且穩(wěn)定的熱膨脹系數（-50～80℃），基于熔融石英的微陀螺諧振子的Q值可達93萬。雖然可以通過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，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，結構一致性難以保證。而犧牲層法中使用的刻蝕模具槽的對稱性和粗糙度將隨著槽深度的增加而變差，導致制備的諧振子結構一致性難以保證。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電層，這也會導致整個結構的一致性變差，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值高的諧振子結構材料是一個非常重要的解決途徑。

1. 2 MEMS固體波動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下的物性參數對比。如表1所示，與硅和熔融石英等材料相比，金剛石具有強度、硬度和彈性模量高、熱彈性膨脹系數低以及最高的熱導率等一系列優(yōu)異特性。這些特性使金剛石導熱率高、耐腐蝕性好、儲運能力好、熱彈性阻尼極低，從而使金剛石諧振子不僅機械性能很高，而且抗沖擊能力和儲運能力很強，具有超高的Q值和優(yōu)質因數（材料固有頻率x Q），綜合性能優(yōu)異。因此，世界上主要國家如美國、俄羅斯、德國、法國、英國、日本、瑞士和中國等都在大力開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

美國UC Davis和UC Berkeley聯合研究小組在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的資助下，通過將傳統(tǒng)的Si基MEMS工藝和CVD多晶金剛石（PCD）技術有機結合，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PCD諧振子的相關制備工藝成熟穩(wěn)定，可以進行批量化制備。之后，該研究小組改進了工藝，諧振子結構從半球狀改為圓柱狀，并結合深反應離子刻蝕工藝，研制的PCD圓柱諧振子（CR）Q值進一步提高，超過0.52 M。美國的德雷伯實驗室（Draper Lab）和MIT的聯合研究小組也利用MEMS工藝結合CVD技術制備了PCD半球諧振子，其Q值超過0.4 M，衰蕩時間更是超過15 s。

圖1 MEMS工藝與CVD技術結合制備的PCD諧振子陣列

2 MEMS固體波動陀螺儀中諧振子材料的發(fā)展趨勢2. 1 單晶金剛石在MEMS固體波動陀螺儀中的應用現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，但多晶金剛石內由于晶界和缺陷多，導致材料內部能量損耗較大，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）沒有晶界、缺陷少、材料內部能量損耗極小。另外，SCD的熱性能更好、晶格內的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具有更高的強度和彈性模量、更強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運。同時，通過表面處理可以實現金剛石的表面導電，避免了在熔融石英等不導電材料上涂鍍導電層從而導致其Q值下降的問題。

美國海軍研究實驗室的研究表明，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的聯合小組，利用表面硅技術，制作了Q值超過百萬的單晶金剛石諧振子。而德國的J. R. Moiler研究小組發(fā)現，用單晶金剛石制備的光子晶體微腔具有共振加強的效應，具有超高的品質因數。哈佛和耶魯大學的聯合研究小組也發(fā)現，基于單晶金剛石的光學納米腔具有超高的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固體波動陀螺諧振子的首選材料。然而，單晶金剛石在MEMS中的研究實例很少，主要因為高品質器件級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雜且難度極高。這兩個因素使穩(wěn)定地批量制備毫米甚至微米級的單晶金剛石諧振子非常具有挑戰(zhàn)性。

高品質單晶金剛石材料制備工藝困難，尤其是主雜質含量低于10-7的高品質器件級單晶金剛石的制備難度極高，相關技術被發(fā)達國家的幾個公司和研究機構壟斷，如：英國元素六（E6）公司、日本EDP公司和美國卡內基研究所等。由于大尺寸高品質器件級甚至電子級單晶金剛石材料制備困難，且只有少數公司能夠制備，因此價格非常昂貴，嚴重制約了超高Q值單晶金剛石諧振子的研制攻關工作。

同時，單晶金剛石的加工和拋光等工藝也是當前世界公認的難題，導致單晶金剛石諧振子的制備和相關研究非常少，相關的基礎理論、加工和拋光工藝等極度缺乏。目前，世界上僅有美國、瑞士、德國以及日本等少數國家的個別研究機構有能力開展這一前沿科技研究。到目前為止，我國尚沒有研究機構公開報道過有關單晶金剛石MEMS固體波動陀螺方面的研究。

美國等西方發(fā)達國家非常重視MEMS慣性系統(tǒng)與器件的研制，美國DARPA針對MEMS慣性器件的研制制定了很多具體的計劃。2011年，DARPA啟動了MRIG項目專門研制VRG陀螺儀，目的是為高動態(tài)的空間裝備提供支撐。2015年，針對高級慣性器件DARPA啟動PRIGM項目，研制高級新型低CSWaP慣性微傳感器AIMS，滿足高沖擊和高振動環(huán)境要求，是具有高動態(tài)范圍、低噪音、高精度的慣性器件。該項目目標為探索新型微陀螺3D加工工藝，加工制造出半球形陀螺結構，陀螺儀目標性能達到慣性級水平，以滿足武器裝備的慣性級導航、定位、制導等應用需求。同時，DARPA強調只支持結構上高度對稱的2D或3D的CVG-11型陀螺儀（哥氏振動微機械陀螺儀，主要是微半球陀螺儀）研制，不支持音叉型MEMS陀螺儀。結合單晶金剛石材料的優(yōu)異性能，可以預見基于單晶金剛石諧振子的MEMS固體波動陀螺儀，如VRG和DRG陀螺儀將是未來高端MEMS固體波動陀螺儀的發(fā)展趨勢。

2. 2 國內大尺寸高品質器件級單晶金剛石制備和加工現狀中國科學院寧波材料技術與工程研究所功能碳素材料團隊在前期研究基礎上，自主開發(fā)微波等離子體CVD沉積金剛石系統(tǒng)，利用自主工藝實現穩(wěn)定高速外延生長（亞毫米級/小時）。與國外同類型設備相比，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、國內首條自主研發(fā)設計的克拉級CVD大塊單晶金剛石生產線和超精密金剛石刀具制備線（圖2），打破國外技術壟斷，實現了國產設備CVD單晶金剛石工業(yè)化生產“零”的突破，大尺寸高品質器件級單晶金剛石的研制水平國內領先。另外，開發(fā)了具有自主知識產權的單晶金剛石超精密研磨和拋光系統(tǒng)（圖3）。

圖2 國內首條CVD單晶金剛石生產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)和高品質器件級大尺寸單晶金剛石

中國科學院寧波材料技術與工程研究所激光與智能能量場制造團隊經過多年研究攻關，自主研發(fā)了“5+2”軸激光精密加工系統(tǒng)（圖4）。在LinuxCNC開源系統(tǒng)的基礎上，自行編制多種擴展模塊，研發(fā)了激光數字控制專業(yè)系統(tǒng)。采用納秒激光器和大功率皮秒激光器，結合五軸運動平臺與兩軸激光掃描振鏡，初步實現了宏觀精密定位與局部高速掃描功能，并進行了一定的加工路徑優(yōu)化和深度補償研究，初步實現三維曲面激光加工自動對焦、檢測功能，相關技術和設備正在通過企業(yè)進行產業(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)，對脆性材料、高溫合金和特種復合材料等進行了大量工藝數據積累，在異型孔加工和陶瓷基復合材料（CMC）加工上取得創(chuàng)新性研究成果。同時，對單晶金剛石的激光精密加工工藝進行了研究，包括金剛石刀具的激光精密切割、單晶金剛石生長基體的切片以及復雜曲面結構單晶金剛石的加工等。在單晶金剛石微槽加工質量控制上進行了前期的工藝探索（圖5），采用焦距補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現了寬度小于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，坯體表面質量完好，無微裂紋（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 中心軸對稱微陀螺儀單晶金剛石諧振子

綜上可見，從大尺寸高品質器件級單晶金剛石的批量制備、復雜曲面結構單晶金剛石的三維超精密加工，到后續(xù)的拋光和后處理，中國科學院寧波材料技術與工程研究所已經有大量的技術儲備，并有成套設備可進行批量加工和制備，已經初步具備了超高Q值單晶金剛石MEMS固體波動陀螺儀的制備基礎。

3 結語

基于高品質器件級單晶金剛石諧振子的MEMS固體波動陀螺儀將是未來高精度微陀螺儀的發(fā)展趨勢，大尺寸高品質器件級單晶金剛石的研制以及MEMS固體波動陀螺諧振子的3D超精密加工等是迫切需要解決的技術難題。超高Q值單晶金剛石MEMS固體波動陀螺儀的研制是一項顛覆性技術；另外，基于單晶金剛石諧振子的MEMS固體波動陀螺儀將在無人飛機、無人駕駛汽車以及未來的手機領域獲得巨大應用，可提高這些設備的定位精度。尤其在GPS等導航信號的盲區(qū)和微弱的地方，可進一步發(fā)揮單晶金剛石MEMS固體波動陀螺儀的優(yōu)勢，極大地推動相關產業(yè)的發(fā)展。可見超高Q值單晶金剛石MEMS固體波動陀螺儀的研制具有重要的戰(zhàn)略意義。