автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка методов расширения рабочего диапазона и улучшения характеристик микромеханических датчиков угловой скорости

На правах рукописи

Тимошенков Алексей Сергеевич

Исследование и разработка методов расширения рабочего диапазона и улучшения характеристик микромеханических датчиков угловой скорости.

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро - и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2012

1 2 МДР жг

005014924

Работа выполнена в Национальном исследовательском университете «МИЭТ» на кафедре «Микроэлектроника»

Научный руководитель: доктор технических наук В.В. Калугин.

Официальные оппоненты: Королёв Михаил Александрович, доктор

технических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор НИУ МИЭТ.

Хохлов Михаил Валентинович, кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «НИИТАП».

Ведущая организация: ОАО «НИИ «Компонент»

Защита диссертации состоится "%0" ьЬСССрТО- 2012г. в 4 & часов на заседании диссертационного совета Д 212.134.01 в Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации.

Одним из важнейших направлений развития микросистемной техники является разработка микромеханических датчиков и систем на их основе (МЭМС). Использование при создании этих устройств материа-ловедческой и технологической базы современной твердотельной микроэлектроники позволяет обеспечить малые габариты и вес, высокую надежность и низкую стоимость микромеханических датчиков.

Приборы, выполненные по МЭМС-технологии, имеют встроенные элементы управления и обработки информации, малое потребление энергии, большую устойчивость к внешним воздействиям. При производстве инерциальных микромеханических датчиков применяют монокристаллический и поликристаллический кремний, плавленый кварц, различные стекла, пьезокристаллы и.т.д. Одним из наиболее перспективных материалов для изготовления чувствительных элементов микромеханических датчиков является монокристаллический кремний. Благодаря этому возможна более глубокая интеграция электронных и механических элементов и их совместимость с широко применяемой микроэлектронной технологией.

Достигнутый в микромеханических инерциальных датчиках уровень тактико-технических характеристик открыл пути внедрения последних в те области техники, где ранее (по экономическим соображениям и техническим параметрам) их применение было неприемлемо. Микромеханические датчики угловой скорости (ДУС) и акселерометры на основе МЭМС начинают применяться в интегрированных системах ориентации и навигации объектов различного назначения, замещая и дополняя более точные и дорогие приборы, например волоконно-оптические гироскопы. Чаще всего это происходит с целью минимизировать массу и габариты, или удешевить инерциальную систему ориентации или навигации. Однако рабочий диапазон и некоторые параметры таких датчиков не в полной мере удовлетворяют потребностям современной техники, поэтому тема диссертационной работы является актуальной, своевременной и очень востребованной.

Основной целью диссертационной работы является разработка методов расширения рабочего диапазона и улучшения характеристик микромеханических датчиков угловой скорости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследован процесс управления колебаниями кольцевого резонатора и выделения полезного сигнала угловой скорости; установлено, что диапазон измерения обратно пропорционален амплитуде основного колебательного контура.

2. Предложена математическая модель выходного сигнала преобразователя угловой скорости, учитывающая действия ускорений и случайных составляющих.

3. Разработаны новые методики измерения основных параметров датчиков угловой скорости, позволяющие за один цикл испытаний в автоматическом режиме определить статическую характеристику, долговременный дрейф, частотный диапазон и стабильность ДУС от включения к включению. Для вычисления случайных составляющих выходного сигнала и разделения их по типам (белый шум, тренд, нестабильность) использован метод вариации Аллана.

4. Исследована зависимость выходного сигнала ДУС от ускорений, действующих вдоль и перпендикулярно измерительной оси. Установлено, что зависимость имеет линейный вид.

Практическая значимость работы:

1. Предложен новый метод настройки электронной схемы обработки сигнала микромеханического резонатора, обеспечивающий возможность регулировки диапазона измерения в пределах двух порядков, а также полосы пропускания ДУС в пределах одного порядка. Метод заключается во взаимной регулировке амплитуды колебаний основного колебательного контура и глубины обратной связи контура подавления вторичных (перекрёстных) колебаний.

2. Созданы комплекты конструкторской и технологической документации (с присвоением литеры «О») на преобразователи угловой скорости серии ММГК, позволившие изготовить линейку датчиков с различными диапазонами измерения, высокой чувствительностью и заданным частотным диапазоном (0..75 Гц).

3. Разработаны и изготовлены стенды с соответствующим аппаратным и программно-алгоритмическим обеспечением, позволяющие в автоматизированном режиме проводить испытания и производить измерения основных параметров датчиков угловой скорости;

4. Разработаны и изготовлены ДУС с расширенным рабочим диапазоном, до ±10 ООО градусов в секунду с нелинейностью масштабного коэффициента менее 0.3 %.

5. Результаты диссертационной работы востребованы и используются в совместной работе МИЭТ и ФГУП «КБМ» г. Коломна по созданию датчика крена, а также в работах с ОАО МНПК «АВИОНИКА» г. Москва, что подтверждается актом внедрения.

6. Разработанные методики, теоретические положения, экспериментальные образцы ДУС, и результаты их исследований использованы в учебном процессе МИЭТ в читаемом на факультете ЭТМО курсе «Испытание микросистем», при подготовке дипломных проектов по специальности 210202 65 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств», а также при разработке учебно-методического комплекса «Контроль и испытание микросистем», «Прикладная математика в обработке эксперимента».

На защиту выносится:

1. Математическая модель выходного сигнала датчика угловой скорости, учитывающая влияние ускорения и случайные составляющие выходного сигнала.

2. Разработанные методики испытаний, аппаратное и программно-алгоритмическое обеспечение стендов, которые позволяют автоматизировать процесс проведения испытаний и исследовать основные параметры преобразователей линейных ускорений.

3. Метод настройки схемы управления кольцевого резонатора ДУС, позволяющий за счёт регулировки амплитуды колебаний первичного колебательного контура и глубины обратной связи контура подавления варьировать масштабный коэффициент в пределах двух порядков, сохраняя приемлемые шумовые характеристики.

4. Новые конструкции ДУС, обладающие расширенным диапазоном измерения (до 10000 %) и полосой пропускания (до 100 Гц.)

Апробация работы

Основные положения и результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:

1. Научная школа и конференция «Первые Московские чтения по проблемам прочности материалов», ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, 2009г.

2. Международная конференция «Кремний 2009», г. Новосибирск, ННЦ.

3. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2010», Москва, МИЭТ.

4. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011«, Москва, МИЭТ.

5. 2-я международная конференция SPACE WORLD в рамках международного аэрокосмического форума, Франкфурт на Майне 2011г.

Личный вклад автора заключается в участии в постановке целей и задач исследования, разработке алгоритмов и ПО проведения испытаний ДУС, создании и отладки схемы возбуждения и обработки сигнала. Автором предложено и обосновано несколько новых сфер применения ДУС. Обсуждение и анализ полученных теоретических и экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные выводы по проведенной работе сформулированы автором.

Публикации

По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 9 работ, включая статьи в периодических изданиях, среди них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Результаты работы использовались при выполнении 2-х НИР и 2 ОКР (в том числе по договору №13.Г25.31.0098/2557 от 22.10.11г.).

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Материал диссертации изложен на 152 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков и 19 таблиц. Список литературы состоит из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даются общие сведения об особенностях конструкций и технологий изготовления датчиков угловой скорости, основных областях их применения, направлениях развития исследования и перспективах производства. Обосновывается актуальность работы.

Технологии микросистемной техники получают широкое развитие в настоящее время, они обеспечивают создание различных нано- и микроэлектромеханических систем. Главным в этом направлении является

применение микроэлектронной технологии, адаптированной для производства сложных интегрированных устройств, совмещающих механические и электронные компоненты в единой системе. Потребителями МЭМС являются многие отрасли промышленности, среди которых: геологоразведка, автомобилестроение, приборостроение, авиация, транспорт, добыча полезных ископаемых, медицинское оборудование, спортивные тренажеры, телекоммуникационная техника, робототехника, бытовая техника, оборонная промышленность и пр. Важное место в ряду МЭМС заняли датчики физических величин, к числу которых относят датчики угловых скоростей (ДУС), которые также часто именуются микромеханическими гироскопами. Преимущества ДУС, изготовленных по технологии микросистемной техники, вытекают из очевидной выгоды массового производства по групповой технологии. К ним относятся низкая цена конечного изделия, надежность и повторяемость характеристик, миниатюрность приборов, низкое энергопотребление, ударо- и вибропрочность, что значительно расширяет область применения таких изделий. МЭМС в общем, и датчики угловой скорости в частности, имеют большой потенциал развития и использования в различных сферах деятельности человека. Однако, некоторые параметры выпускаемых промышленностью датчиков не удовлетворяют современным требованиям науки и техники, поэтому исследования в области улучшения характеристик таких приборов являются крайне актуальными.

В первой главе внимание уделяется общему анализу преобразователей угловой скорости и постановке задачи диссертационной работы.

Разработкой и изготовлением МЭМС-устройств занимаются десятки фирм за рубежом и в России. Среди ведущих зарубежных фирм-изготовителей нужно отметить Analog Devices Inc. (ADI). Количество датчиков угловой скорости (ДУС), поставленных компанией на автомобильный рынок, начиная с 1991 года, оценивается примерно в 180 млн. Высокий технологический уровень ДУС ADI в сочетании с непрерывным обновлением линейки продукции, ориентированной на удовлетворение растущих потребностей различных маркетинговых сфер, объясняет закономерный интерес специалистов к датчикам Analog Devices. Для создания широкой номенклатуры продукции гироскопов ADXRS ADI применяет уникальную технологию iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System), причем в названии акцент сделан на интегрировании на одном чипе как малых и прочных сенсорных элементов, так и

интегральных схем (ИС). Совместимость технологического процесса изготовления чувствительных элементов (ЧЭ) и ИС со стандартными методами интегрирования обеспечивает повторяемое производство устройств, выпускаемых в больших количествах по низкой цене. Помимо этого все устройства характеризуются малым энергопотреблением, и неплохими показателями точности.

Ряд отечественных предприятий занимается разработкой и изготовлением микромеханических ДУС, среди них можно отметить: ОАО РПКБ (г. Раменское); ОАО АНТП «Темп-Авиа» (г. Арзамас); ФГУП НИИ физических измерений (г. Пенза); ОАО «АНГСТРЕМ» (г. Зеленоград); ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (г. Санкт-Петербург) и др. Анализ параметров приборов показал, что не все их характеристики отвечают требованиям современной техники: рабочий диапазон функционирования довольно узкий, часто ограничен 500 °/с, и полоса пропускания ДУС не достаточно широка. Для устранения указанных недостатков необходимо провести анализ схемотехнических и конструктивных факторов, влияющих на эти параметры и разработать соответствующие технические решения, позволяющие их улучшить. Необходимо также разработать аппаратно-программный комплекс для испытания приборов и соответствующие методики. Поэтому для решения поставленных в данной работе задач, необходимо провести исследования по следующим направлениям:

- анализ характеристик ДУС и определение наиболее критических с точки зрения их функционирования. Разработка необходимых методик и стендов для их испытаний;

-исследование различных конструкций чувствительного элемента ДУС и разработка новых технических решений;

-исследование схемотехнических решений и методов регулировки схем обработки сигнала ДУС и разработка улучшенной схемотехники;

-анализ характеристик разработанных ДУС, поиск новых сфер применения.

Во второй главе внимание уделено исследованию характеристик и проведению испытаний ДУС. С этой целью создан аппаратно-программный комплекс для автоматизированного проведения испытаний. На основе предложенной математической модели выходного сигнала ДУС разработаны методики измерения основных параметров.

Одной из наиболее важных задач при разработке и изготовлении преобразователей угловой скорости является задача проведения испы-

таний, аттестации и оценки выходных параметров разрабатываемых изделий. Выходной сигнал идеального ДУС должен зависеть только от угловой скорости, эта зависимость должна быть строго определена и описываться уравнением вида

+ (1), где и Я - нулевой сигнал и масштабный коэффициент соответственно, ю - угловая скорость. В реальности, конечно же, это не так, и характеристика преобразования отличается от обычного уравнения линейного вида. Выходной сигнал можно представить как функцию от трёх переменных (2): угловой скорости (В, ускорения а, и случайных составляющих V/.

УСых =Яса,Ж,а) (2) Рассмотрим более детально каждый из аргументов функции 2. Угловая скорость со - искомая величина для ДУС и эта закономерность должна быть определена предельно точно. Общепринято, что выходной сигнал датчика некоторой величины должен линейно зависеть от неё, и обычно, зависимость эта формулируется как уравнение (1). Однако масштабный коэффициент к не одинаков во всём диапазоне измерения и 1

не может быть выражен одним коэффициентом. Чаще всего отклонение от линейного вида происходит на краях диапазона. Более точно описать зависимость выходного сигнала от со можно при помощи полинома канонического вида

иВых = К0+К]Ф + К2т2+... + Кпт" (3) Коэффициенты К2 ... Кп рассчитываются экспериментально для

каждого датчика, методами интерполяции. Максимальное отклонение реального масштабного коэффициента от функции линейного вида составляет 0,01-0,2 % от всего диапазона измерения, поэтому удобно описать зависимость (3) в виде:

=ко+ + КмлшеГ1тстУ (4)

ГДе Кмм,тЬ10СЮ1 принимает значения от -КтМХ ДО КтМАХ, коэффициент максимальной нелинейности масштабного коэффициента к определяется экспериментально и обычно не превышает 0,2%.

Выходной сигнал инерциального датчика зависит не только от угловой скорости, но и от ускорения. Причём ускорение, действующее вдоль оси чувствительности и перпендикулярно ей, имеют различные

влияния. В общем случае зависимость выходного сигнала от действующего ускорения можно описать как

Где Кюах коэффициент и ускорение действующие вдоль основной измерительной оси датчика, К а - коэффициент и ускорение, действующие перпендикулярно.

Реальный электрический выходной сигнал, имеет несколько случайных составляющих, таких как шум, тренд, нестабильность нулевого сигнала и другие. Природа этих явлений и зависимостей весьма различна, они могут происходить из механики чувствительного элемента или электроники схемы обработки сигнала, из технологических дефектов изготовления или закономерного поведения некоторых элементов схемы. Теоретически представить и полностью обосновать модель выходного сигнала такой детализации не представляется возможным. Однако для разработки методики испытаний и правильного исследования выходной характеристики ДУС необходимо представлять, что помимо угловой скорости и ускорения влияет на выходной сигнал.

Основные шумовые составляющие выходного сигнала это:

- «белый» шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот, с нулевым математическим ожиданием.

Я^тренд - тренд нулевого сигнала.

^'нестеб " нестабильность нулевого сигнала (фликкер, розовый шум или шум 1/0

Суперпозиция этих случайных составляющих также оказывает влияние на выходной сигнал,

ишт^трЫ+штста6 (б)

Их также необходимо учитывать. Обобщив выражения (6), (5) и (4) можем записать выражение (2) как

1/гш = К0 + К,а + К11тм,У + К„А + К^ау + Штрыд + + Щ„ул, (7)

Где: иВьа - выходной сигнал, (в диапазоне 0..5 В)

СО - угловая скорость (изменяется от (0т;п до <йтах)

Таким образом, предложена математическая модель выходного сигнала ДУС (7), позволившая разработать методики испытаний ДУС. Они позволяют исследовать параметры долговременного дрейфа для определения случайных шумовых составляющих и стабильности; масштабный коэффициент, и его нелинейность в диапазоне измерения, в диапазоне температур, от включения к включению; зависимость выходного сигнала от ускорений. Исследованы параметры ДУС, статическая характеристика, долговременный дрейф, стабильность, численно определены величины случайных составляющих выходного сигнала.

Для определения случайных составляющих сигнала ДУС был применён метод, основанный на вариации Аллана. С помощью него не только оценена величина случайной составляющей, но и разделена по типам. Проведены расчеты спектральной плотности мощности белого шума, случайного углового блуждания, нестабильности нулевого сигнала и тренда.

Экспериментальными данными показана адекватность математической модели выходного сигнала ДУС, в которой учтены воздействия ускорения на измеряемую угловую скорость, а также случайные составляющие.

Все методики испытаний создавались вместе с программно-аппаратным комплексом, позволяющим проводить эксперименты в автоматизированном режиме.

На рис. 1 приведен типовой график - результат автоматизированного исследования статической характеристики ДУС по разработанной методике.

Определение параметров статической характеристики. Эксперимент.

-20 0 20 Угловая скорость, град/сек

0.01

& 0.005

1 1 ! ' _

? ! / .; \ 1 ' 1

О О

-100

-80

-50

-40

-20 0 20 Угловая скорость, град/сек

40

60

60

100

Рис. 1 Статическая характеристика. Результаты эксперимента(а), усреднённое значение(б) и среднеквадратичное отклонение (в).

На рис. 2 показан типовой график зависимости вариации Аллана выходного сигнала ДУС от времени корреляции в логарифмическом масштабе. По наклону касательной к графику на различных участках можно судить о величине различных случайных составляющих сигнала ДУС. В разработанном аппаратно-программном комплексе вычисление вариации Аллана и построение графика производятся автоматически в процессе исследования долговременного дрейфа.

::::::::::::::: ::: 1:: ¿г. ...........:.....................1 .......>....;. | ..{. .......;......•./.>.........;...,..;.. ........;.....:....■, •■..:..;.•..•.. : : ! ' : ■ ' : ш ; ::;

-.........................-'........... ЕЕЗЁЕйЕЕЕЕ : : : К ■

.......;..................... .......... ..... ..........;.....

■ , : \ : ■ : - : : ! ; , :,,,.! ; ; 1 йШЫ Ч " -• •■■• •— .. —..:.. • : ; : ' ' ; ; : •:; .,-•''1 ; Е 1 Е ......:"'у"; Г Е.1Е1'IЕ ........... г.■;■ 5 1 ; И : : : ■ ■' :

10"1-,. .......! ! . .¡¡.И-! ! I .пп!........1 I I I ¡.^

10'' 10л 10° 10' 10! 105

Время корреляции, с

Рис. 2 Вариация Аллана типового ДУС серии ММГК (микромеханический гироскоп кольцевого типа, изготовлен в МИЭТ). Нестабильность нуля составляет 3,5 град/ч.

Стандартный цикл испытаний длится около 2,5 часов и включает в себя запись долговременного дрейфа при полном покое ДУС в течение 1 часа, определение статической характеристики (масштабного коэффициента, нулевого сигнала, нелинейности) и определение параметров чувствительности ДУС, Стандартные испытания проводятся автоматически при различных температурах, термокамерой также управляет программа испытаний. Структурная схема испытательного стенда представлена на рис. 3.

Рис. 3 Структурная схема испытательного стенда.

При испытаниях на стабильность нулевого сигнала ДУС и испытаниях на стабильность масштабного коэффициента от включения к включению, программа управляет программируемым источником питания, а также принимает информацию об электропитании образцов. Методика испытаний ДУС на работоспособность при пониженных температурах включает в себя запись тока потребления. В методике испытаний по оценке полосы пропускания ДУС измерение проводится на основе времени реакции ДУС на ступенчатое воздействие, величиной в половину диапазона измерения образца. Типовые характеристики ДУС, изготовленных в МИЭТ, измеренные по новым методикам, приведены в табл. 1.

Табл. 1 Типовые характеристики ДУС МИЭТ

Параметр ДУС карданного типа ДУС кольцевого типа

Систематическая составляющая нулевого сигнала, % 4.050 0.055

Случайная составляющая нулевого сигнала, °/ч 0.350 0.01

Нестабильность, от запуска к запуску, 1 СКО, °/с 0.420 0.002

Тренд нулевого сигнала, (°/ч)/ч 32.010 19.160

Нелинейность масштабного коэффициента, % 0.01 0.01

В качестве выводов ко второй главе можно заключить:

1. Предложена математическая модель выходного сигнала ДУС, учитывающая влияние случайных составляющих и ускорений/

2. В соответствии с предложенной моделью разработаны методики испытаний, позволяющие численно определить все параметры исходной модели и создан аппаратно-программный комплекс, позволяющий проводить исследование характеристик ДУС.

3. Исследованы и проанализированы характеристики ДУС, установлено, что диапазон измерения и полоса пропускания, наиболее важные характеристики, улучшение которых очень актуально.

В третьей главе представлены результаты исследования, анализа, и обоснование выбранной конструкции чувствительного элемента. Детально анализируются различные конструкции с точки зрения динамики, простоты технологии изготовления и др.

Все многообразие ЧЭ ММВГ, выпускаемых зарубежной промышленностью, а также описанных в отечественной и зарубежной литературе, с точки зрения математического аппарата, описывающего динамику ЧЭ, можно разбить на две большие группы: ЧЭ с сосредоточенными параметрами и ЧЭ с распределенными параметрами, В свою очередь ДУС, включающие в себя ЧЭ с сосредоточенными параметрами, можно классифицировать как приборы IX и Ы1-типа.

В приборах ЬЬ-типа возбуждаются линейные колебания (первичные) по какой-либо оси, перпендикулярной оси чувствительности. При действии угловой скорости возникает переменное ускорение Кориолиса той же частоты, что и первичные колебания, направленное перпендикулярно оси чувствительности и оси первичных колебаний, вследствие чего система совершает линейные колебания (вторичные) в направлении ускорения Кориолиса. При этом в установившемся режиме частоты первичных и вторичных колебаний совпадают. Этот прибор по своей сути очень похож на акселерометр. В приборах Ш1-типа возбуждаются вращательные колебания в двух взаимно перпендикулярных роторах. Первичные угловые колебания возбуждаются искусственно при действии угловой скорости, вследствие гироскопического момента возникают вторичные угловые колебания в направлении оси, перпендикулярной оси чувствительности и оси первичных колебаний. В установившемся режиме частоты первичных и вторичных колебаний совпадают. ЧЭ ЯК-типа так же называю карданными. Существуют также некоторые модификации ЧЭ, где первичные колебания линейные, а вторичные-вращательные (Ы1-гип).

Следует отметить, что собственные частоты, а также разность собственных частот двух рамок (для ЧЭ типа Ы1) или частот колебаний по перпендикулярным осям (для ЧЭ типа ЬЬ или ЧЭ с распределёнными параметрами) во многом определяют динамику ЧЭ ДУС. Поэтому при изготовлении ЧЭ большое внимание уделяется соблюдению необходимых требований по собственным частотам колебаний в различных направлениях или различных сегментах ЧЭ, зачастую при недостаточном соответствии частот прибегают к балансировке. В случае ЧЭ 1Ж.-типа для этого обычно утяжеляют внутреннюю рамку некоторым грузом.

В ЧЭ ЬЬ-типа и кольцевом (ЧЭ с распределённой массой), помимо соблюдения симметричности конструкции необходимо минимизировать разность сил упругости в различных направлениях. Для этого важно правильно выбирать кристаллографическую ориентацию кремниевых пластин, в случае если для изготовления ЧЭ используется монокристаллический кремний. В противном случае, или если с учётом разных анизотропных свойств кристалла, в разных направлениях собственные частоты ЧЭ не достаточно близки, также производится балансировка ЧЭ, например, утонением элементов упругого подвеса или некоторых сегментов ЧЭ.

Частный случай ЧЭ ДУС с распределёнными параметрами это кольцевой резонатор, который совершает колебания в направлении, соответствующем основной колебательной моде. При воздействии угловой скорости (повороте кольца) ориентация колебательной моды относительно самого кольца изменяется, так как стремится сохранить свою ориентацию в пространстве под действием силы Кориолиса (рис. 4).

Рис. 4 - Упрощенная схема форм колебаний (мод) ЧЭ кольцевого типа. При отсутствии угловых скоростей, основная мода (а); при вращении вокруг оси чувствительности, работает перекрёстная мода (б).

Для правильного функционирования ЧЭ и минимизации систематической составляющей погрешности необходимо чтобы основная и пере-

крёстная моды колебаний, представленные на рис. 4 а и 4 б, совпадали с точностью до 1 Гц.

На рис. 5 и 6 показаны амплитуды основной и перекрестной колебательной мод до и после балансировки ЧЭ кольцевого типа (ММГК).

3,65275"

Ш

3,5 3,2532,75-

2,5-

С 2,25 с

I 2'

1,751,5-

1,2321 =

•1 ^—

\ ^

у </ \\/

"чч / /

'•ч у /

/ / -т—ч

гУ

¿1

0,000475 0,0005

время, с

0,000525 0,000543

Рис. 5. Зависимость амплитуды колебаний кольцевого резонатора от времени без балансировки. 1- основная мода колебаний. 2,3 -перекрёстные моды.

3,62119'

Ш

3,25 3

2,75 2,5

У \

2 3 —ч / \

\ N / V«/........ \ / (г

/ г /

( \ /

\ у \ V /

£

С 2,25 С

2 2 <

1,75

1,5 1,2803

0,000354 0,000375 0,0004 0,000425 0,00045413

время, с

Рис.6 Зависимость амплитуды колебаний кольцевого резонатора от времени после балансировки. 1- основная мода колебаний 2,3-перекрёстные моды.

Применение балансировки ЧЭ позволяет значительно улучшить характеристики ДУС, разночастотность колебательных мод снижается с 50 ... 100 Гц до 0,05...3 Гц (при собственной частоте колебаний около

14500 Гц), а амплитуды колебаний на перекрёстных модах в покое, составляют 0,5 ..10 % от основной (до балансировки 30-70%). Табл. 2 Сравнение изготовленных ЧЭ карданного и кольцевого типов

Параметры Значения

ЧЭ карданного типа ЧЭ кольцевого типа

Частота собственных колебаний ЧЭ, Гц 1990-3500 14300-14500

Добротность колебательного контура 12000-80000 5000-6000

Диапазон измеряемых угловых скоростей, град/с 150; 250;500 50 - 10000

Ожидаемый случайный дрейф, град./час 16-360 25 - 150

Габаритные размеры ЧЭ, мм 15x18x4 10x10x1

Выводы по третьей главе:

1. Исследованы различные конструкции ДУС. Проведен сравнительный анализ ЧЭ карданного и кольцевого типов, изготовленных в МИЭТ (табл.2). Конструкция ЧЭ карданного типа обладает высокой добротностью (до 80000), и потенциально может быть в основе очень точного микромеханического ДУС, однако сосредоточенные параметры массы этого типа ЧЭ делают его весьма чувствительным к ускорениям и вибрациям. Конструкция кольцевого типа имеет меньшую добротность (5000-6000), более сложна с точки зрения технологии изготовления и сборки, однако несомненным её преимуществом является устойчивость к внешним воздействующим факторам (вибрациям и ускорениям).

2. Предложен метод балансировки ЧЭ кольцевого типа, для улучшения характеристик ДУС. В результате разночастотность основной и перекрёстной колебательной моды удаётся снизить до 0,05 Гц, а паразитную амплитуду на перекрёстных осях до 0,5% . что позволяет значительно улучшить характеристики ДУС.

Четвёртая глава посвящена исследованию схемотехнических решений и методов регулировки схем обработки сигнала ДУС.

Существуют различные схемы возбуждения колебаний и выделения полезного сигнала микромеханических ДУС. В работе был проведен анализ существующих схем, а также проведена адаптация и оптимизация имеющихся решений к создаваемому ДУС. В общем случае схемы обработки кольцевого ЧЭ основаны на детектировании колебаний по перекрёстной колебательной моде, то есть смещённой на 45 градусов

(см. рис. 4) относительно основной. Однако для правильного функционирования ЧЭ и поддержания необходимой амплитуды основной колебательной мод необходимо детектировать и её. Таким образом, схема обработки сигнала кольцевого резонатора состоит из двух (или более) колебательных контуров. Они могут быть симметричными и ассимет-ричными. Реализация ассиметричной схемы (рис. 7) требует точной настройки и достаточно сложна, однако позволяет добиться требуемых параметров, исключить влияние многих технологических погрешностей и значительно расширить диапазон измеряемых скоростей. Регулируя амплитуду раскачки основного колебательного контура (усилитель 4 снимает сигнал с кольца, усилитель 3 раскачивает кольцо) и глубину обратной связи контура подавления (усилители 1 и 2) удалось расширить диапазон измерения в пределах двух порядков, сохранив приемлемые шумовые характеристики в схеме.

ные усилители.

Принципиально по-другому построена симметричная схема, она состоит из двух идентичных контуров. Каждый колебательный контур по сути работает как основной в ассиметричной схеме. Два контура расположены под углом 45 градусов, как показано на рисунке 8, воздействия на них синфазны. Таким образом, ориентация второй моды резонанса в результате суперпозиции двух колебательных контуров располагается посередине между ними и смещена на угол 22.5 градусов (при отсутствии угловых скоростей).

Рис. 8 Расположение двух колебательных контуров (1 и 2) в симметричной схеме.

При повороте колебательная мода смещается, и один из контуров стремиться пересилить другой. Таким образом, измеряя разность воздействия двух контуров можно выделить полезный сигнал, пропорциональный угловой скорости

Симметричная автоколебательная схема принципиально намного стабильнее, так как состоит из двух совершенно одинаковых колебательных контуров, на сигналы которых одинаково по модулю влияют погрешности электроники, например, вызванные температурным дрейфом компонентов.

В ассиметричной схеме, основные колебания задаются в одном направлении одной парой электродов, расположенных на диаметрально противоположных сторонах кольца. В перпендикулярном направлении, происходит их съём. Этот колебательный контур, основной, всегда активен, и при воздействии малых угловых скоростей или их отсутствии, колебания существуют только в нём, второй контур практически бездействует. Без электронной схемы подавления, в отсутствии угловой скорости, второй колебательный контур находится в относительном покое, так как его обкладки расположены в узлах основной колебательной моды. При появлении угловой скорости, ориентация колебаний смещается от обкладок первого контура, и во втором контуре появляются колебания, которые тут же подавляются. Сила, приложенная для подавления колебаний во вторичном контуре, или контуре подавления, пропорциональна выходному сигналу и величине угловой скорости. Это объясняет возрастание энергопотребления в динамике. Новый метод регулировки, позволяющий существенно расширить диапазон измерения, заключается в одновременной настройке глубины обратной связи контура подавления, и амплитуды основного колебательного контура. На рис. 9 приведен график зависимости диапазона измерения от амплитуды основного колебательного контура.

Зависимость диапазона измерения ДУС от амплитуды основного колебательного контура 2500

2Q00

» 1500

q 100Q

500

200 300 400 500 600 700 800 Диапазон измерения, градусов в секунду

1000

Рис.9 Зависимость диапазона измерения от амплитуды основного колебательного контура. Без регулировки обратной связи схемы подавления.

Настройка контура подавления позволяет расширить диапазон еще, по крайней мере, в пределах одного порядка. С уменьшением масштабного коэффициента, естественно, снижается точность, большее влияние оказывают случайные составляющие. На рис. 10 представлена зависимость диапазона измерения от величины случайных составляющих.

Зависимость величины случайных составляющих выходного сигнала отдизпззона измерения ДУС

10000

9000

8000

§ 7000

¿ 600D

=

5000

3

® <ою

о

= зого

4

2000

1000

°0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Величина случайной составляющей выходного сигнала, градусов в час

Рис. 10 Зависимость диапазона измерения от величины случайных составляющих.

Обе схемы нуждаются в первичной регулировке и настройке, однако в симметричной схеме эта процедура проще, в частности из-за того, что нет необходимости подстраивать нулевой сигнал. Как показывает практика, иногда колебательная схема раскачивает кольцо настолько, что оно начинает звенеть, это может происходить в случае применения обоих схем. Регулируя коэффициент усиления сигнала съёма колебаний, с первичного контура можно уменьшить или увеличить амплитуду физических перемещений сегментов кольца.

Ассиметричная схема более сложная, менее стабильная, однако, имеет большие возможности регулировок, позволяющих достичь уникальных характеристик. В частности, регулируя амплитуду раскачки первичного колебательного контура можно варьировать масштабный коэффициент в пределах 1 порядка (диапазон измерения можно изменить в 10 раз). Регулировка контура подавления позволяет увеличить максимально возможное воздействие и, тем самым, варьировать масштабный коэффициент и диапазон измерения в два порядка. Существуют возможности регулировки скорости реакции. На ДУС серии ММГК удаётся достичь полосы пропускания датчиков 0 .. 100 Гц.

Выводы по четвёртой главе:

1. Схема обработки сигнала ЧЭ ДУС во многом определяет качество и свойства будущего прибора. Схемотехнические решения индивидуальны для различных видов ЧЭ. Исследованы и разработаны функ-

циональные схемы, схемы электрические принципиальные, для карданного и кольцевого типов ЧЭ преобразователей угловой скорости. Некоторые из них реализованы на практике и изготовлены.

2. На основе проведенных исследований для ассиметричной схемы обработки сигнала разработан новый метод регулировки, который позволяет варьировать масштабный коэффициент и скорость преобразования в десятки и даже сотни раз.

3. Схемы обработки в макетных образцах были реализованы на поверхностно монтируемых компонентах на печатных платах. Перспективным и безусловно актуальным развитием этой работы будет изготовление интегральной схемы обработки сигнала на основе уже отмаке-тированного образца. Это позволит уменьшить размеры ДУС в 5-7 раз.

В пятой главе проводится анализ характеристик разработанных ДУС и поиск новых сфер применения, описываются функционально новые применения датчиков, рассматривается реализация датчика крена на базе ДУС.

Разработанные конструкции уже востребованы в практических задачах, некоторые из них являются принципиально новыми для микромеханических ДУС, в частности, их применение для датчика крена, который должен измерять угол поворота вокруг продольной оси боепри-паса. Частота вращения может достигать 20 Гц, ускорения, действующие вдоль продольной оси боеприпаса (разгонные или тормозные), могут достигать 200 g, а также перпендикулярные им, (вызванные рулением или маневрированием) достигают 20 & Время полёта боеприпаса -не более 60 секунд. Для того, чтобы система управления могла осуществлять руление оперением боеприпаса, ошибка определения угла крена за время полёта не должна превысить 20 градусов. На рис. 11 представлен график, демонстрирующий влияние случайных составляющих сигнала на интеграл угловой скорости для образца ДУС типа ММГК с диапазоном измерения 10000 градусов в секунду и сравнение с аналогом ЬРУ4150 (рис. 12).

10 20 30 40 50

время, секунды

Рис.11 Ошибка вычисления угла ДУС типа ММГК, 1- случайное угловое блуждание, 2-нестабильность нулевого сигнала.З-сумма.

Ошибка вычисления угла, вызванная случайными составляющими ДУС

2 ......

1

> ^______ —- __

у — „---—

30

время,секунды

Рис. 12 (справа) Сравнения влияния случайных составляющих ДУС на интеграл угловой скорости. 1- ДУС типа ММГК, диапазон измерения 10000 °/с. 2- ДУС ЬРУ4150, диапазон измерения 6000 °/с.

Столь высокие динамические требования к измерительной системе, исходя из динамических характеристик боеприпаса, потребуют не только разработки специальных ДУС, но их корректировки относительно вектора ускорения свободного падения, при условии не вертикального полёта боеприпаса, или магнитных полей земли. С помощью акселеро-

метров или магнитометров, возможно отследить периодичность вращения, и снизить погрешность вычислений. В динамических условиях данной задачи корректировку акселерометром будет сделать довольно сложно, так как перегрузки при рулении достигают 20 g.

При проработке задачи измерения угла крена прямым преобразованием угловой скорости, где измерительная ось датчика практически совпадает с осью вращения, были получены следующие результаты. СКО ошибки за 25 секунд вращения на скорости 3000 градусов в секунду составил 4,88 градусов. (Для ДУС типа ММГК) Результаты представлены на рис. 13.

ошибка измерения угла крена-эа 25.секунд. СКО = 4.83

1 1.5

время, 0.1 мс

Рис. 13 Ошибка измерения угла крена методом прямого преобразования. Представлены данные по 7 экспериментам.

Как видно из результатов эксперимента (рисунок 13), ошибка измерения угла много больше ошибки вызванной случайными составляющими (рис. 11). Действительно, на практике систематические составляющие погрешности не всегда удаётся снизить до уровня много меньшего, чем случайные. Для успешного решения подобных задач необходима индивидуальная калибровка каждого образца ДУС в условиях приближённых к реальным. Тем не менее, применение ДУС ММГК для решения описанной задачи обосновано, что подтверждается внедрением результатов диссертационной работы и успешным сотрудничеством ФГУП КБМ г. Коломна и МИЭТ в области создания датчика крена.

Выводы по пятой главе:

1. Разработан и изготовлен ДУС новой конструкции, обладающий расширенным диапазоном измерения (до 10000 °/с) и полосой пропускания (до 100 Гц).

2. Обоснована возможность применения микромеханического ДУС в качестве датчика крена для быстровращающихся объектов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполнения работы были получены следующие основные результаты:

1. Предложен новый метод настройки схемы управления кольцевого резонатора ДУС, позволяющий за счёт регулировки амплитуды колебаний первичного колебательного контура и глубины обратной связи контура подавления варьировать масштабный коэффициент в пределах двух порядков, сохраняя приемлемые шумовые характеристики.

2. Предложена математическая модель выходного сигнала датчика угловой скорости, учитывающая влияние ускорения и случайные составляющие выходного сигнала.

3. Разработан и изготовлен аппаратно - программный комплекс, разработаны методики испытаний и программно-алгоритмическое обеспечение стендов, которые позволяют автоматизировать процесс проведения испытаний и исследовать основные параметры датчиков угловой скорости.

4. Разработаны и изготовлены ДУС новой конструкции, обладающие расширенным диапазоном измерения (до 10000 °/с) и полосой пропускания (до 100 Гц).

5. Проведены исследования и разработаны преобразователи угловой скорости (ЧЭ АЕСН.431324.003). В результате исследования основных характеристик, применения нового метода регулировки, а также изучения влияния ускорения на выходной сигнал, найдено и обосновано функционально новое применение ДУС, в составе датчика крена,

6. Созданы датчики, позволяющие проводить измерения угловых скоростей в диапазоне до 10 000 градусов в секунду с нелинейностью масштабного коэффициента менее 0.3 % и нестабильностью нуля 90 градусов в час. При измерении ДУС в диапазоне 100 градусов в секунду нестабильность нулевого сигнала составляет менее 3 градусов в час, нелинейность масштабного коэффициента менее 0.02 %.

7. Результаты диссертационной работы востребованы и используются в совместной работе МИЭТ и ФГУП «КЕМ» г. Коломна по созда-

нию датчика крена, а также в работах с ОАО МНПК «АВИОНИКА» г.Москва, что подтверждается актом внедрения.

8. Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке дипломных проектов по специальности 21020265 и в читаемом на факультете ЭТМО курсе «Испытание микросистем».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тимошенков A.C., Головань A.C., Сан Мин Наинг. Исследование температурной стабильности датчиков угловой скорости и сравнительный анализ методов термокомпенсации и термостатирования. // Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. г.Москва, МИЭТ, 2011 г. с.46-49.

2. Timoshenkov A.S., Anchutin S.A., Morozova E.S. Micromecanical angular rate sensor with a wide range of measured velocities for space applications. II Materials of 2-nd International "Space World" conference. Frankfurt/Main, 4 November 2011. p. 15.

3. Тимошенков A.C. Исследование и сравнительный анализ методов термостатирования и термокомпенсации для повышения температурной стабильности микромеханических датчиков. II Микроэлектроника и информатика 2011 Тезисы докладов, г.Москва, МИЭТ 2011г. с. 115.

4. Тимошенков A.C., Головань A.C. Разработка и создание микро электромеханического устройства для определения ускорений частей тела человека. // Микроэлектроника и информатика 2010 Тезисы докладов. г.Москва, МИЭТ, 2010г. с.129.

5. Тимошенков А. С.,Тимошенков С. П., Прокольев Е. П., Бритков О. М., Бритков И. М., Тимошенков Ан. С. Возможная стохастическая модель неравновесных фазовых переходов при проектировании химических реакций в ансамблях дефектов кремния. // Оборонный комплекс научно техническому прогрессу России. г.Москва, МИЭТ, 2008г. №1 с.35

6. Тимошенков A.C., Тимошенков С.П., Калугин В.В., Бритков О.М., Прокопьев Е.П., Тимошенков Ан.С., Евстафьев С.С., Физико-химическая модель скорости роста пленок alpha-Si:H в силановых плазменных смесях пониженного давления. // Материалы конференции "Кремний 2009", г. Новосибирск, 2009г. с. 157.

7. Тимошенков А. С., Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Калугин В.В., Григорьев Д.К., Научные основы технологии структур «кремний на изоляторе». П Петербургский журнал электроники. 2010г. Выпуск № 3 (32) с. 15.

8. Тимошенков A.C., Тимошенков С.П., Симонов Б.М., Графутин В.И., Прокопьев Е.П., Бритков И.М., Бритков О.М., Евстафьев С.С. Возможности определения природы и плотности дислокации в твёрдых телах методом позитронной анигиляционной спектроскопии. // Материалы конференции «Первые московские чтения по проблемам прочности материалов». г.Москва 2009г. с. 15.

9. Тимошенков A.C., Калугин В.В., Прокопьев Е. П., Бритков О. М., Бритков И. М., Тимошенков Ан. С., Тимошенков С.П. /Лазерно-термический метод осаждения плёнок кремния в гидридном процессе. // Оборонный комплекс научно техническому прогрессу России. г.Москва, МИЭТ, 2008г. № 1 с.41.

Подписано в печать:

Заказ № ./¡ГГираж 1ояэкз. Уч.-изд.л. /,Ч Формат 60x84 1/16. Отпечатано в типографии МИЭТ. 124498, Москва, МИЭТ.

61 12-5/1859

НАЦИОНАЛЬНЫМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МИЭТ»

На правах рукописи Экз.№

ТИМОШЕНКОВ АЛЕКСЕИ СЕР1ЪЕВИЧ . / / (Д ШУ

I,

Исследование и разработка методов расширения рабочего диапазона и улучшения характеристик микромеханических датчиков угловой скорости.

(05.27.01 - ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ, МИКРО - И НАНОЭЛЕКТРОНИКА, ПРИБОРЫ НА КВАНТОВЫХ

ЭФФЕКТАХ)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. т. н., проф. В.В. Калугин

Москва 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ.........................................................................................................................2

ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.......................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................4

1 Анализ конструкций преобразователей угловой скорости..................................................7

1.1 Особенности конструкций чувствительных элементов микромеханических датчиков угловой скорости...................................................................................................................7

1.2 Анализ микромеханических датчиков угловой скорости..............................................9

1.3 Постановка задач диссертационной работы................................................................13

2. Исследование и анализ характеристик ДУС. Разработка испытательного комплекса и методик испытаний.................................................................................................................16

2.1 Математическая модель выходного сигнала ДУС.......................................................16

2.2Метод определения случайных погрешностей ДУС при помощи вариации Аллана.. 19

2.3 Аппаратно - программный комплекс для исследования характеристик ДУС...........23

Выводы по второй главе.....................................................................................................30

3. Исследование различных конструкций чувствительного элемента ДУС.........................32

3.1.Определение обобщенных сил, обусловленных упругими свойствами подвеса ЧЭ..ЗЗ

3.2 Расчет параметров ЧЭ LL и RR типов..........................................................................40

3.4 ЧЭ с распределёнными параметрами...........................................................................50

3.5 Расчет геометрических параметров ЧЭ ДУС кольцевого типа...................................51

3.6.Конструкция ЧЭ ДУС кольцевого типа.......................................................................59

3.7 Сравнение параметров изготовленных ЧЭ ДУС..........................................................66

Выводы по главе 3...............................................................................................................67

4. Исследование схемотехнических решений и методов регулировки схем обработки сигнала ДУС............................................................................................................................69

4.1 Обработка сигнала чувствительного элемента кольцевого типа................................69

4.1.1 Общие принципы формирование выходного сигнала преобразователя угловой

скорости кольцевого типа...................................................................................................69

4.1.2. Схема колебания КМГ с контуром подавления.......................................................73

4.1.3 Схема колебания ЧЭ КМГ с двумя симметричными автоколебательными

контурами............................................................................................................................79

4.1.4. Исследование и анализ различий автоколебательной симметричной схемы от

схемы контуром подавления...............................................................................................81

Выводы по главе 4...............................................................................................................88

5. Анализ характеристик разработанных ДУС......................................................................90

5.1 Анализ характеристик ДУС при реализации гиротахометра......................................92

5.2 Анализ характеристик ДУС при реализации датчика крена быстровращающегося

объекта.................................................................................................................................93

Выводы по пятой главе:....................................................................................................105

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ...............................................................................106

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................................108

Приложение А - Программа и методика испытаний ДУС.................................................118

Приложение Б - Текст программы в среде matlab, для определения параметров ДУС.....132

Приложение В. КД на изделие АЕСН.431324.003 РЭ (руководство по эксплуатации).....137

Приложение Г - Акт о внедрении результатов диссертационной работы.........................151

ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АСМ - атомно-силовая микроскопия;

АСУ - автоматические системы управления;

AT - анизотропное травление;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ДУС - датчик угловой скорости;

ЕД - емкостной датчик;

ИС - интегральная схема;

KTJIP - коэффициент термического линейного расширения;

МКЭ - метод конечных элементов;

МНК - метод наименьших квадратов;

ММГ - микромеханический гироскоп;

ММГК - микромеханический гироскоп кольцевого типа

МСТ - микросистемная техника;

МЭМС - микроэлектромеханические системы;

НЭМС - наноэлектромеханические системы;

РЭМ - растровая электронная микроскопия;

САПР - система автоматизированного проектирования;

ЧЭ - чувствительный элемент;

ВВЕДЕНИЕ

Технологии микросистемной техники получают широкое развитие в настоящее время, они обеспечивают создание различных нано- и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Главным в этом направлении является применение микроэлектронной технологии, адаптированной для производства сложных интегрированных устройств, совмещающих механические и электронные компоненты в единой системе. Потребителями МЭМС являются многие отрасли промышленности, среди которых: геологоразведка, автомобилестроение, приборостроение, авиация, транспорт, добыча полезных ископаемых, медицинское оборудование, спортивные тренажеры, телекоммуникационная техника, робототехника, бытовая техника, оборонная промышленность и пр. Важное место в ряду МЭМС заняли датчики физических величин, к числу которых относят преобразователи угловых скоростей (ДУС). Преимуществами ДУС, изготовленных по технологии микросистемной техники, вытекают из очевидной выгоды массового производства по групповой технологии, это низкая цена конечного изделия, надежность и повторяемость характеристик, миниатюрность приборов, низкое энергопотребление, ударо- и вибропрочность, что значительно расширяет область применения таких изделий. МЭМС в общем и преобразователи угловой скорости в частности, имеют большой потенциал развития и использования в различных сферах деятельности человека.

Сочетание традиционных технологий микроэлектроники и специальных технологических решений при изготовлении МЭМС позволяет получить чувствительный элемент (ЧЭ) ДУС требуемой геометрии. Использование современных систем автоматизированного проектирования (САПР) дает возможность спроектировать преобразователи угловой скорости с заданными характеристиками (диапазоном измеряемых угловых скоростей, полосой пропускания, цифровым или аналоговым выходным сигналом) для широкого круга потребителей. Имеющаяся метрологическая база позволяет оценить необходимые характеристики изготовленных ДУС для установки их соответствия техническим требованиям. Однако существует множество проблем и нерешенных задач. Одной

из актуальных задач является обоснование и выбор геометрии и принципа работы ЧЭ ДУС, обеспечивающих возможность создания преобразователей с требуемой чувствительностью, и стойкостью к внешним воздействующим факторам.

При выборе геометрии ЧЭ важно, чтобы он закономерно изменял электрические параметры, при воздействии угловой скорости и не изменял их при воздействии линейного ускорения. При наличии некоторой угловой скорости объекта, на него всегда воздействует линейное ускорение, относительно той же системы координат, обратное, в общем случае не, верно. В высоко динамичных объектах, влияние центробежного ускорения на измеряемую угловую скорость достаточно велико, чтобы провоцировать значительные погрешности измерений угловой скорости. Так же на микромеханические инерциальные датчики не могут не оказывать влияния другие внешние воздействующие факторы, такие как вибрации, удары, перегрузки. Оптимальной выбор конструкцией ЧЭ должен, позволить закономерно, с требуемыми точностями и скоростью, преобразовывать угловую скорость в некую электрическую величину (емкость, напряжение), при этом, влияние вибрации и линейных ускорений так же закономерно, и достаточно мало чтобы обеспечить требуемую точность.

В настоящее время существуют различные способы преобразования перемещений ЧЭ в выходной сигнал датчиков физических величин. Широко используется емкостная система преобразования перемещений ЧЭ. Её достоинством является высокая чувствительность, простота конструкции и технологии изготовления. Существует также магнитоэлектрическая, и другие виды связи физического перемещения ЧЭ с выходным электрическим сигналом. Вся схема обработки сигнала ДУС должна обеспечивать преобразование линейного вида. От схемотехнических параметров зависят характеристики точности, шум, стабильность, температурная зависимость и другие. Важнейшей задачей является выбор такой схемы обработки сигнала, которая позволит не только достичь максимальной точности, но и унифицировать линейку датчиков, адаптировать одинаковые ЧЭ под различные требования, при помощи регулировки схемы.

Процесс проведения испытаний, для оценки параметров изготовленных образцов, является неотъемлемой частью процесса изготовления изделий.

Разработка методик испытаний и стендов с аппаратным и программно-алгоритмическим обеспечением, также является необходимой и важной задачей.

Таким образом, направление исследований, заключается в разработке преобразователей угловой скорости, методах их регулировки, измерении характеристик, поиске новых функциональных применений этих приборов. Исследования, обеспечивающие возможность создания ДУС, стойких к внешним воздействующим факторам, с различными диапазонами измеряемых угловых скоростей, требуемыми метрологическими и эксплуатационными характеристиками, являются современным и актуальным.

1 Анализ конструкций преобразователей угловой скорости

В данной главе описана разработка конструкции ЧЭ, проведен анализ существующих конструкций микромеханических преобразователей угловой скорости зарубежного и российского производства. Поставлены задачи, решаемые в ходе выполнения диссертационной работы.

1.1 Особенности конструкций чувствительных элементов микромеханических датчиков угловой скорости

Разработкой и изготовлением МЭМС-устройств занимаются десятки фирм за рубежом и в России. Среди ведущих зарубежных фирм-изготовителей нужно отметить Analog Devices Inc. (ADI). Количество датчиков угловой скорости (ДУС), поставленных компанией на автомобильный рынок, начиная с 1991 года, оценивается примерно в 180 млн. Высокий технологический уровень ДУС ADI в сочетании с непрерывным обновлением линейки продукции, ориентированной на удовлетворение растущих потребностей самых различных маркетинговых сфер, объясняет закономерный интерес специалистов к датчикам Analog Devices. Для создания широкой номенклатуры продукции гироскопов ADXRS ADI применяет уникальную технологию iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System), причем в названии акцент сделан на интегрировании на одном чипе как малых и прочных сенсорных элементов, так и интегральных схем (ИС). Совместимость технологического процесса изготовления чувствительных элементов (ЧЭ) и ИС со стандартными методами интегрирования обеспечивает повторяемое производство устройств, выпускаемых в больших количествах по низкой цене ($4-12). Помимо этого все устройства характеризуются малым энергопотреблением, и не плохими показателями точности[9-11].

Другой широко известный поставщик полупроводниковых компонентов, включая МЭМС-гироскопы и акселерометры - Freescale Semiconductor. MEMSIC Inc. - одна из первых компаний, которая объединила интегральный МЭМС-сенсор со схемой обработки сигнала в однокристальный микросхеме, совмещая при этом

уникальную технологию микромеханических гироскопов стандартный КМОП-процесс производства интегральных схем. Комбинация технологий позволила создать гироскоп с улучшенными техническими показателями, высокой надежностью и более низкой ценой, в сравнении с существующими аналогами.. Миниатюрность и отсутствие твердотельных движущихся масс позволяет сохранить работоспособность гироскопов при перегрузках в 25000g, что доказано проведенными лабораторными испытаниями [12].

Кроме того, разработкой и изготовлением МЕМС-гироскопов занимаются также Bosch, Kionix, Inc., STMicroelectronics, Delphi Corp. И ряд других фирм в США, Европе, Азии. В России же развитие данной области и в настоящее время находится на не достаточно высоком уровне. В 2010 году объем рынка электронных компонентов в нашей стране составил около 1,23 млрд. долларов, причем на отечественные компоненты из них пришлось не менее 20%. В свою очередь, в этом количестве доля МЭМС-изделий российского производства минимальна [13].

Ряд отечественных предприятий занимаются разработкой и изготовлением микромеханических гироскопов, среди которых можно отметить: ОАО РПКБ (г. Раменское); ОАО АНТП «Темп-Авиа» (г. Арзамас); ФГУП НИИ физических измерений (г. Пенза); ОАО «АНГСТРЕМ» (г. Зеленоград); ЗАО «ГИРООПТИКА» (г. Санкт-Петербург); ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (г. Санкт-Петербург) и др. [14-36]. Датчики разрабатываемые на данных фирмах выполняются из кремния. Их метрологические и эксплуатационные характеристики не полностью отражены в доступной литературе. Наиболее полную информацию можно получить по приборам, разрабатываемым «ЦНИИ «Электроприбор» (г. Санкт-Петербург). Многие предприятия используют зарубежные технологии и производства, не владея в результате этого полным циклом разработки и изготовления преобразователей угловой скорости. Полным циклом разработки, изготовления и выпуска и аттестации преобразователей угловой скорости на основе отечественных технологий обладает пока только МИЭТ.

Все многообразие ЧЭ ММВГ, выпускаемых зарубежной промышленностью, а также описанных в отечественной и зарубежной литературе, с точки зрения математического аппарата, описывающего динамику ЧЭ, можно разбить на две большие группы: ЧЭ с сосредоточенными параметрами и ЧЭ с распределенными параметрами.

В свою очередь гироскопы, включающие в себя ЧЭ с сосредоточенными параметрами можно классифицировать как приборы IX и Ш1 типа.

В приборах IX типа возбуждаются линейные колебания (первичные) по какой-либо оси, перпендикулярной оси чувствительности. При действии угловой скорости возникает переменное ускорение Кориолиса той же частоты что и первичные колебания, направленное по оси, перпендикулярной оси чувствительности и оси первичных колебаний, вследствие чего система совершает линейные колебания (вторичные) в направлении ускорения Кориолиса. При этом в установившемся режиме частоты первичных и вторичных колебаний совпадают. Этот прибор по своей сути очень похож на акселерометр.

В приборах ЯЯ типа возбуждаются угловые колебания (первичные) при действии угловой скорости вследствие гироскопического момента возникают угловые колебания в направлении оси, перпендикулярной оси чувствительности и оси первичных колебаний. В установившемся режиме частоты первичных и вторичных колебаний могут совпадать.

1.2 Анализ микромеханических датчиков угловой скорости

Микроэлектромеханические системы в целом, и микромеханические гироскопы (преобразователи угловых скоростей), в частности, позволяют не только значительно улучшить характеристики электронной аппаратуры, но и создавать устройства для решения задач в новых областях. Рынок устройств МЭМС находится в стадии бурного развития и приносит огромные прибыли и является одним из самых перспективных рынков. Работами в области микромеханических систем занимаются сотни фирм во всем мире, в т.ч. и в России. Это объясняется во многом тем, что их ключевые преимущества, которыми являются миниатюрность,

функциональность, надёжность, малое энергопотребление, простота интегрирования, востребованы сегодня практически всеми рынками электроники. Миниатюризация снижает цену за счет снижения потребления материалов, реактивов, допускается групповое производство и расширяется применяемость технологий МЭМС [1].

В таблице 1.1 представлена сравнительная таблица технических характеристик наиболее известных микромеханических ДУС.

Таблица 1.1 - Сравнительная таблица технических характеристик микромеханических датчиков угловых скоростей [4-зи]

Компания Элпа Элпа Элпа Murata Epson Silicon Sensing Silicon Sensing Silicon Sensing Honeywell Honeywell Honeywell Analog Devices Analog Devices миэт миэт миэт

CN s

Прибор БВГ-500 БВГ-3 БВГ-4 ENC-03R XV-3500CB CRS03-02 CRS03-11 CRS05-2 S OO t- 3 о GG1178AU( oo r- 5 о ADXRS150 ADXRS300 МГК о о 1 « s о о 1 « (-Н s

Максимальная

измеряемая угловая

скорость 7с. ±300 ±600 ±8000 ±300 1±100 ±100 ±573 ±200 ±±75 ±150 ±300 ±150 ±300 ±200 ±100 ±10000

Коэффициент 1,0±0,1 12,5±10 5,0±8

преобразования мВ/7с 5±0,15 13,2±2 5 0.67 0.67 20 3.49 10 2