автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Методы повышения точности съема информации в микромеханических гироскопах

На правах рукописи

003057055

Некрасов Яков Анатольевич

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ СЪЕМА ИНФОРМАЦИИ В МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПАХ

Специальность 05.11.03 - Приборы навигации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007

003057055

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии ЦНИИ «Электроприбор» - Государственный научный центр Российской Федерации.

Научный руководитель Челпанов Игорь Борисович,

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор;

Официальные оппоненты Ландау Борис Ефимович,

доктор технических наук;

Пономарев Валерий Константинович, кандидат технических наук, доцент.

Ведущая организация ФГУП «НИИ прикладной механики

им. акад. В.И. Кузнецова»

Защита состоится 16 мая 2007 года в 16 часов на заседании диссертационного совета ДС 411.007.01 при ФГУП ЦНИИ «Электроприбор» по адресу: 197046, Санкт-Петербург, ул. Малая Посадская, д. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ЦНИИ «Электроприбор».

Автореферат разослан_ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор ¿//^Колесов Н.В.

1а> / ^

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Проблемы создания микромеханических гироскопов (ММГ) многогранны. В настоящее время важнейшими и наиболее сложными являются задачи точного съема информации в ММГ, заключающегося в измерении с помощью емкостных датчиков очень малых амплитуд углов вторичных колебаний, несущих информацию об измеряемой угловой скорости.

За рубежом работы над созданием ММГ начались с 1990 г. в Драйперов-ской лаборатории (США) В настоящее время ММГ выпускается серийно рядом фирм, среди которых можно выделить Analog Devices, Honeywell (США) и Bosch (ФРГ). Объем продаж ММГ в 2006 г. достиг 0,4 млрд. долларов США.

Несмотря на то, что в России исследования в этой области начались с десятилетним опозданием, в отечественной литературе уже имеется значительное число публикаций по тематике создания ММГ в журналах Навигация и Приборостроение, Нано- и Микросистемная техника, Приборостроение (Изв ВУЗов), изданы монографии под ред. Распопова В.Я. и Чаплыгина Ю.А. Проводятся исследования и разрабатываются ММГ в ЗАО Гирооптика, МИЭТ, ГУАП, ИПМ РАН. Из зарубежных исследовательских центров необходимо отметить Университет Беркли (США), ИМИТ (ФРГ). Автор хотел бы особенно выделить публикации зарубежных исследователей и ученых Geen J.А., Ward Р, Clark W.A., Shkel A.

В рамках проводимых в ЦНИИ "Электроприбор" НИР и ОКР под руководством д.т.н. Л.П.Несенюка Евстифеевым М.И. и Унтиловым A.A. были разработаны конструкции микромеханической части ММГ и вакуумирован-ный кремниевый модуль (ВКМ) для ММГ /?/?-типа, в котором ротор совершает угловые колебательные движения вокруг двух осей. Разные модификации ВКМ успешно изготавливаются фирмой Tronic's (Франция) для ЦНИИ "Электроприбор" по технологии «кремний на изоляторе» (Silicon On Insulator -SOI).

Было изготовлено более 1000 экземпляров ВКМ, проведен большой объем экспериментальных исследований для выявления факторов, влияющих на точность ММГ, разработаны методы и найдены решения, позволяющие по-

высить точность съема информации в ММГ до уровня 0,01 - 0,05 °/с, а в перспективе и до уровня 0,001 - 0,005 °/с, и начать разработку специализированной интегральной схемы (ASIC) для него.

При значительном опережении зарубежными странами России в области микромеханики возможности использования зарубежного опыта в разработках ЦНИИ "Электроприбор" оказались весьма ограниченными, так как публикации по этой теме носят либо фрагментарный характер (сосредоточены в основном в описаниях патентов) и посвящены по большей части описанию конструкции ММГ, либо являются недоступными для российских исследователей. Это объясняется тем, что за рынок ММГ (на нем Россия пока присутствует только в качестве покупателя) ведется жесткая борьба, ММГ повышенной точности относятся к изделиям двойного назначения, публикации о которых носят ограниченный характер.

Пока только пионеру разработок ММГ Драйперовской лаборатории удалось создать кремниевый ММГ с характеристиками, достаточными для его использования в высокоточном оружии. Совместными усилиями с фирмой Honeywell уровень шума этого ММГ был понижен до 0,001 - 0,003 7сЛ/Гц, для этого потребовалось около 10 лет исследований и разработок, при которых изменения касались только системы съема информации, включающей в себя электродную структуру и электронику, и практически не затрагивали микромеханическую часть.

В связи с этим, в первую очередь является необходимым проведение исследований, направленных на повышение точности системы съема в ММГ.

В данной диссертации поставлено целью разработать методы и научные основы методик расчета и проектирования высокоточных систем измерения перемещения ротора ММГ /?/?-типа и их элементов, обеспечивающих значительное повышение точности измерения угловых скоростей с помощью ММГ.

Для того, чтобы получить точность ММГ близкую к 0,01%, необходимо с помощью емкостных датчиков измерять колебания его ротора с погрешностью на уровне 0,1 А0 во всем диапазоне изменения амплитуд этих колебаний при достаточно высоком уровне помех и наличии паразитных емкостей, превосходящих измеряемые изменения емкостей на несколько порядков. Этаза-

дача усложняется и тем, что ММГ является элементом массового изготовления, стабильность и воспроизводимость его параметров должны обеспечиваться по возможности без дорогостоящих операций измерения и подстройки, несмотря на относительно большие технологические допуски на величину межэлектродных зазоров в емкостных датчиках.

Требования к чувствительности систем съема информации в ММГ на два и более порядка превосходят достигнутый к началу 90-х годов уровень чувствительности емкостных датчиков прецизионных электростатических подвесов, применяемых в самых точных электростатических гироскопах, которые в России были разработаны под руководством A.C. Анфиногенова и Б.Е. Ландау.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить последовательность задач, которые сформулированы ниже.

1. Получение точной зависимости емкости датчика выходного канала ММГ от угла поворота ротора и межэлектродного зазора на основе решения трехмерной задачи электростатики.

2. Создание методики компенсации нелинейности зависимости емкости от угла поворота ротора и уменьшения влияния межэлектродного зазора на характеристики емкостного датчика.

3. Разработка эффективных методов подавления квадратурной помехи в ММГ RR-типа.

4. Разработка схемотехнических принципов построения преобразователей емкость - напряжение для двухканальных емкостных датчиков с общим подвижным электродом, нечувствительных к влиянию паразитных емкостей между проводящим основанием и нанесенными на нем через изолирующий слой неподвижными электродами.

5. Разработка методов уменьшения уровня помех и паразитных связей между элементами ВКМ.

6 Оценка правильности методик расчета путем сопоставления расчетных данных, результатов математического и компьютерного моделирования и экспериментальных данных, полученных при испытании ВКМ с разработанными аналоговыми схемами на дискретных элементах.

Методы исследования

Для решения поставленной задачи в работе использовались методы и аппарат теоретической механики, теории электрических цепей, теории автоматического управления, аналоговой схемотехники, теории графов, математического анализа и компьютерное моделирование.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика определения функциональных зависимостей межэлектродных емкостей от угла поворота ротора и геометрических параметров электродов, методика расчета величин момента и коэффициента отрицательной жесткости в электродной структуре ММГ 7?Л-типа, основанная на числовом решении трехмерной задачи электростатики

2. Методика алгоритмической линеаризации характеристики емкостного датчика с плоскими электродами для ММГ ЬЬ- и /?Л-типа и обеспечения инвариантности крутизны этих датчиков от межэлектродного зазора.

3. Методы подавления квадратурной помехи в ММГ /?Л-типа, заключающиеся в формировании компенсирующего момента или электрических сигналов

4. Анализ эффектов, выявляемых на максимально полной эквивалентной электрической схеме электродной структуры ММГ ЛЛ-типа, в которой учтены паразитные связи между электродами через слои кремния и оксида кремния.

5. Метод пространственного разделения измерительных сигналов в ММГ, реализуемый с помощью трансрезистивных усилителей, и создания на основе этого метода многоканальных преобразователей емкость - напряжение для многокоординатных микромеханических датчиков.

6. Методы уменьшения паразитных связей между элементами ВКМ и шумов, заключающиеся во введении дополнительных элементов в ВКМ, увеличении толщины слоя диэлектрика под электродами, параметрической оптимизации схемы преобразователя емкость - напряжение.

7. Результаты моделирования работы узлов ММГ с помощью программ РБР1СЕ и МАТЬАВ и экспериментальные данные, полученные при испытаниях ММГ на основе ВКМ с аналоговыми электронными блоками на дискретных элементах.

Новыми научными результатами являются:

- метод расчета характеристик электродной структуры ММГ RR-типа, основанный на числовом решении трехмерной задачи электростатики;

- методика оценки паразитных электрических связей в ММГ, выполняемых по технологии кремний на изоляторе, основанная на разработанной эквивалентной электрической схеме ММГ ЛЯ-типа, и методы уменьшения влияния этих связей на точность ММГ;

- новые апробированные схемы многоканальных преобразователей емкость - напряжение и методики их расчета, примеры моделирования для этого класса схем;

- алгоритмы преобразования выходных сигналов преобразователей емкость - напряжение, нахождение путей реализации этих алгоритмов;

- построение моделей узлов ММГ в программах Simulink и PSP1CE.

- обоснование структуры комплексной системы проектирования систем съема данных ММГ RR-типа, основанной на разработанных методах, алгоритмах и схемах.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней:

- созданы двухканальные преобразователи емкость - напряжение с разрешающей способностью на уровне 10-20 аттофарад (1аФ = 10"18 Ф), которые уже используются в стендовой аппаратуре для проверки ВКМ и в ММГ с цифровой и аналоговой электроникой на дискретных элементах и обеспечивают разрешающую способность ММГ на уровне 0,027с;

- разработаны методы построения двухканальных преобразователей емкость-напряжение, которые используются при создании ASIC ММГ;

- выработаны рекомендации по изменению конструкции в части технологии изготовления деталей ВКМ (изменена конфигурация электродов и технология изготовления крышки, с учетом влияния емкостных датчиков изменены резонансные частоты подвеса ротора).

Апробация работы и публикации. По теме диссертации имеется 27 опубликованных работ, из них одна монография, две статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК, 3 доклада на международных

конференциях, один доклад на всероссийской конференции, 4 на отраслевых конференциях, 4 авторских свидетельства и 13 патентов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора, списка использованной литературы. Объем диссертации - 125 страниц, 84 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту, дается краткий обзор содержания диссертации по главам. Основной материал диссертации распределен по четырем главам.

В первой главе на основании анализа описаний работы ММГ RR- и LL-типа, приводимых в зарубежных источниках, составлена его структурная схема (рис.1). Микромеханическая часть на ней представлена в виде двух резонансных звеньев, при этом первое охвачено положительной обратной связью (ПОС) и в нем возникают автоколебания, а второе - отрицательной обратной связью (ООС). На рисунке обозначены: у, а - углы поворота ротора по осям первичных и вторичных колебаний, Wz(p), fVx(p) - передаточные функции подвесов ротора по осям Z и X, ДУ2, ДУХ, ДМг, ДМХ - соответственно датчики угла и момента по этим осям, Дем -демодулятор, Q - измеряемая угловая скорость, (р - сдвиг фазы выходного напряжения ДУ2, ак - кориолисово ускорение, Jx, Кх, Kz - кинетический момент инерции ротора и коэффициенты жесткости подвеса. Обратные связи в ММГ формируются с помощью емкостных датчиков перемещения и момента. Возможные паразитные связи, влияние окружающей среды (температура, вибрация, удары и т.д.) и технологических разбросов показаны на схеме пунктирными линиями. В процессе проектирования ММГ влияние этих связей и факторов необходимо учитывать или предусматривать средства их подавления.

Окружающая среда (Тсмпсратхра вибрации \дары) |

1---Технологические погрешности г — — 1_1пит

| _(зазор - d) _£__

" I JxJ

CVi п Т

! _ да»

, W«p) |1LJ ■>--«} ' - -►J~K~| К\ ] «->V«(pl

|_ J L"I x "".Г"' '~T

t ЛМ/

T E

M: I-

дда

4-------Г— -4-----1--i

1

Urn.

Рис. 1 .Структурная схема ММГ

Влияние внешних механических воздействий на ММГ рассматривалось в работах Евстифеева М.И., Унтилова A.A., Лестева A.M. Компенсация и стабилизация температуры оказались, как показали исследования, проведенные при участии автора, эффективными (температурный дрейф может быть уменьшен на порядок и более).

Анализ влияния технологических разбросов и ряда паразитных электрических, механических и электростатических связей на работу ММГ в отечественных работах практически не рассматривался. На основе анализа известных конструкций зарубежных ММГ /?Л-типа можно сделать заключение, что для повышения точности применялись такие средства как:

- подавление или исключение квадратурной помехи (за счет сил электростатического поля с помощью дополнительных электродов, введения обратной связи по сигналу емкостного датчика или использования двухмассовой структуры ММГ);

- гальваническая развязка каналов преобразования сигналов в ММГ, достигаемая за счет использования технологии изолирующих канавок, применения диэлектрика в качестве подложки;

- пространственное разнесение электродов гребенчатого двигателя и емкостного датчика перемещений ПМ по оси вторичных колебаний;

- стабилизация разности собственных частот подвеса ротора;

- использование разнополярных напряжений на электродах датчика момента и симметричное расположение их относительно электродов датчика угла.

Большинство этих приемов не были известны к началу разработки ВКМ. и их реализация требовала изменения технологии, поэтому в первоначальной

конструкции ВКМ (рис 2) они не были учтены.

Собствен но кремниевый модуль выполняется с использованием двух кремниевых пластин, на одной из которых 1 сформированы: диск 2 на торсионном подвесе (3- торсионы) и статоры 4 емкостных датчиков для системы возбуждения первичных колебаний. Емкостные двигатели - датчики момента - имеют гребенчатую электродную структуру. На нторой пластине (рис.З) сформированы электроды датчиков угла и момента канала вторичны колебаний. Обе пластины свариваются между собой и помешаются в вакуумированный корпус, образуя ВКМ.

Автором были разработаны методики экспериментального определения подвижности ротора ММГ по выходной оси и таких параметров ВКМ, как собственные частоты подвеса, межэлектродные емкости и уровень квадратурной помехи (амплитуда у при Q = 0). типовые значения которых представлены в табл. 1.

Таблица.1 Параметры ВКМ

Собственная частота подвсса. Гц Добротность подвеса Емкость электрод-ротор (паразитная емкость). лФ Квадратурна! помеха, гран

Ось 2 Ось X Ось 2 Ось X Ось Z Ось X

3200 3000 (5-7)10' 2(1.7) 4.5 (70) 0.0!

Во второй главе проведен анализ двух типов электродных структур, применяемых в ММГ /?/?-типа: гребенчатой и с плоскими электродами. Анализ проведен на основе аналитических выражений и по численным расчетам.

Рис. 2. SEM-фотография ротора ВКМ

выполненным с применением метода конечных элементов. Параллельно проверена возможность использования полученных результатов в ММГ Ы-типа.

Для гребенчатой структуры по критерию линейности зависимости емкости от угла поворота и независимости от него создаваемого момента определен минимальный угол перекрытия между зубцами структуры (который оказался в три раза меньше реализованного в ВКМ).

Показано, что для разности емкостей ДС дифференциального емкостного датчика с этой структурой электродов справедливо выражение

С + С У о

где Сь С2 -межэлектродные емкости датчика, А/ - угол поворота ротора, у0 -угол перекрытия между электродами при Ду = 0. Предложено для исключения зависимости выходного сигнала датчика от зазора измерять величины Сь С2, АС и по ним определять Ду. Этот же алгоритм может быть распространен и на гребенчатые электродные структуры с поступательным перемещением подвижного электрода.

Для электродной структуры с поворачивающимся на угол а электродом, когда электроды имеют форму сегмента круга, найдены значения емкостей С для разных величин зазора с1 между электродами и угла а. Эти значения находились двумя методами: с помощью программы АшуБ и из выражения:

V

С = 2£Соъ{а)\ Г---с!гс19. (2)

й + г5\п(а)со5(а)

С возрастанием зазора сходимость результатов расчета, полученных разными методами, возрастает, что объясняется уменьшением влияния краевых эффектов, которые не учитывались при выводе выражения (2).

Для полученного расчетным путем семейства кривых в качестве аппроксимирующей функции была выбрана функция вида:

С(0) = —Р>_. (3,

1 + Ьа + са

Погрешность аппроксимации этой функцией не более 1%.

На основании аналитического выражения для С(а) получены выражения для разности емкостей АС(а) дифференциального емкостного датчика, вели-

чины момента М, создаваемого парой электродов при наличии между ними напряжения U, и вносимой этой парой отрицательной электрической жесткости Сэ:

АС (а) = С, (а) - С2 (а) = С (а) - С(-а);

U2 dC(d)

M = ■

С.

2 da ' U2 d2C(a)

(4)

(5)

(6)

Рис. 3. Схема расположения электродов канала вторичных колебаний

2 йаг "

Полученные соотношения позволяют оценивать влияние напряжений возбуждения датчика угла на ротор и собственную частоту по оси вторичных колебаний. Зависимость ЛС(а) нелинейна, однако отношение С(а)

(7)

С,(«)С2(«)

является линейной функцией а. Поэтому дополнительные измерения величин С\(а), С2(а) позволяют формировать линейную зависимость выходного сигнала от угла а. Использование такого способа линеаризации в дифференциальных емкостных датчиках, в которых подвижный электрод движется по нормали к неподвижным, как это имеет место в ММГ LL-типа, позволяет исключить и зависимость выходного сигнала от зазора.

На основе расчета сил электрического поля, действующих на ротор при расположении электрода над зубцовой зоной, показано, что в электродной структуре на рис. 3 создается момент Л/„ синфазный с первичными колебаниями ротора. При одинаковых напряжениях (t/|) на одной паре электродов 1, 2 амплитудное значение этого момента может быть рассчитано по формуле:

°2 ... M I\___X Л___lïl^TZU л U, I ICI I

(8)

6{D + d,) UJ 12.

где d-i - межзубцовый зазор; D - ширина зуба.

При подаче напряжения Ut на другую пару электродов (3, 4) фаза момента Mi изменяется на 180°. Эта электродная структура позволила в некоторых образцах ММГ полностью компенсировать квадратурную помеху. Статистический анализ показывает, что такая электродная структура позволяет компенсировать квадратурную помеху в 30% образцов ВКМ при напряжении Ui < 6В.

Эквивалентная электрическая схема электродной структуры ВКМ может быть представлена в виде соединения

12 конденсаторов с общим электродом, которым является проводящий ротор (рис.4). При учете паразитных емкостей она выглядит сложнее и содержит 30 конденсаторов. На рис.4, чтобы не загромождать схему, показаны только электроды одного датчика угла и одного датчика момента по осям первичных и вторичных колебаний. Между двумя проводниками (электрод и проводящий кремний основания или крышки) находится диэлектрик (оксид кремния). Поэтому помимо конденсаторов, которые образованы ротором и электродами, в

схему добавлены конденсаторы Сд, емкость которых не меняется при перемещениях ротора. Эти емкости связаны между собой через проводящий кремний. Эта связь отражена в виде резисторов Якр. В схеме также учтены сопротивления торсионов Rt, паразитная емкость между опорой и основанием Сор и паразитная емкость между крышкой и опорой Ско по слоям металлизации, используемым для сварки этих деталей ВКМ. Паразитные емкости между электродами через вакуумный промежуток обозначены Сээ.

Паразитные емкости Сд, Сэп могут быть рассчитаны как емкости для конденсатора с плоскопараллельными электродами. А для определения межэлектродных паразитных связей были экспериментально определены импе-

13

Ротор

Rt

Сор

I

Крышка

1

Rkp Rkp

Rkp м

Сд

Сд

|Сэр |сээ |С»р

5г

т "

Ricp Rkp Rkp

Т X Т

Рис. 4. Эквивалентная электрическая схема электродной структуры ВКМ

дансы между некоторыми выводами от электродов ВКМ. При соединении с общим выводом источника питания выводов от наружных поверхностей кремниевых пластин эквивалентные межэлектродные емкости уменьшались примерно на порядок.

Дополнительным средством уменьшения межэлектродных и паразитных емкостей является увеличение толщины слоя диэлектрика. По согласованию с фирмой Tronics в новой партии ММГ эта толщина будет увеличена в 4 раза, что по оценкам, приводимым автором в гл. 3, может повысить разрешающую способность ММГ во столько же раз.

В третьей главе определены пути создания преобразователей емкость -напряжение (ПЕН) фемто- и аттофарадной точности для ММГ, выполненного по технологии SOI, при использовании которой паразитные емкости на порядок превосходят емкости между ротором и электродами.

На основе анализа применяемых в электростатических подвесах преобразователей обоснован выбор варианта схемы преобразования изменений емкости в электрический сигнал, в котором на электроды поступает напряжение, а измеряемым параметром является ток. В такой схеме паразитные емкости Сп, присоединенные к электродам, не влияют на измеряемый ток. В ММГ могут измеряться изменения тока на частоте первичных колебаний или на частоте переменного напряжения.

В последнем случае достигается повышение крутизны преобразования до величин порядка 106 А/Ф. С учетом полученной в гл. 2 крутизны емкостного датчика 3,9iO"10 Ф/рад изменения тока через электроды при перемещениях ротора, соответствующие порогу чувствительности ММГ, оказываются меньше 10'" А. Помехи на входе ПЕН от напряжений на электродах датчиков момента при этом могут быть на уровне 10'7 А. Для преобразования малых

изменений тока в напряжение и подавления помех в схеме ПЕН применен

14

Рис. 5. Двухканальный преобразователь емкость - напряжение

дифференциальный трансрезистивный усилитель (ДТУ), выполненный по схеме на рис.5. Использование операционных усилителей (ОУ), подключенных к электродам, обеспечивает пространственное разделение измеряемых токов. Подавление помех на частотах, отличающихся от частоты возбуждения датчиков угла (частота источника Ub), достигается в ПЕН применением синхронного детектора на перемножителе и фильтре низкой частоты (ФНЧ). Показано, что порог чувствительности (АС) этой схемы ПЕН может быть определен из выражения:

(9)

2 UH

где С„ - паразитная емкость, присоединенная к электроду, 1/ш, UB -соответственно напряжение шума на входе операционного усилителя, и напряжение между электродами. Для исключения резонансного усиления шумов целесообразно в схеме на рис.5 применять ОУ с передаточной функцией

(1+ тр)

(V(p) = K--—, (10)

(1+7»' v '

где т = RCn.

Вариант ПЕН, показанный на рис. 5, используется в стендовой аппаратуре в фирме Tronics для проверки параметров ВКМ, в ММГ с цифровой и аналоговой электроникой. Модификация этого ПЕН предложена для исполнения в виде интегральной схемы (ASIC), приведены результаты моделирования работы ПЕН в программе PSPICE.

В главе проведен анализ схем двухканальных ПЕН на основе выпускаемых за рубежом интегральных схем (ИС) для одноканальных дифференциальных емкостных датчиков типа MS3110 и на основе зарядовых усилителей (ЗУ). В схемах с ИС MS3110 использовалось частотное разделение токов, поступающих на входы этих ИС через электроды датчиков угла ДУХ и ДУ2. Показано, что при применении ЗУ необходимо использовать либо точную взаимную компенсацию паразитных сигналов за счет применения разнополяр-ных напряжений, поступающих к датчикам момента, или формировать эти напряжения на частоте, равной половине собственной частоты подвеса по оси Z.

В четвертой главе рассмотрена возможность уменьшения помех в ММГ за счет оптимизации работы системы возбуждения первичных колебаний на резонансном звене Wz(p), построенной как типичная схема автогенератора со схемой автоматического регулирования (АРУ) амплитуды колебаний. Приведены результаты ее математического моделирования в программах Simulink и PSPICE, и экспериментальной проверки схемы, выполненной с применением аналоговых ИС. Модель резонансного звена для программы PSPICE была построена на LCR- элементах и ОУ. Для обеспечения независимости амплитуды первичных колебаний ротора от зазора и собственной частоты подвеса ротора по оси Z рекомендовано использовать алгоритм нормирования сигнала ДУ, описанный в гл. 2, а в АРУ вводить сигнал с выхода звена дифференцирования. Экспериментальная проверка показала, что за счет подстройки вносимого сдвига фазы сигнала в системе возбуждения первичных колебаний напряжение на электродах гребенчатого двигателя в установившемся режиме может быть снижено до 50мВ

При выделении сигнала, пропорционального измеряемой угловой скорости, квадратурная помеха может рассматриваться как аддитивная, а изменение амплитуды (Лг) первичных колебаний как мультипликативная помехи.

Исследование работы ВКМ на "выбеге" и при разных амплитудах первичных колебаний показало, что в ВКМ составляющая сигнала квадратурной помехи пропорциональна амплитуде первичных колебаний. Это позволяет осуществлять компенсацию за счет индивидуальной подстройки. На основе известных методов подавления этих видов помех предложены схема подавления сигнала квадратурой помехи и способ уменьшения влияния изменения амплитуды первичных колебаний в ММГ.

При большом уровне квадратурной помехи для уменьшения дрейфа нуля ММГ целесообразно перед демодулятором ввести схему ее автоматической компенсации. Приведены результаты моделирования системы выделения сигнала с такой схемой в программах Simulink и PSPICE, которые совпали с результатами экспериментальной проверки.

При подавленной в выходном канале ММГ аддитивной составляющей, мультипликативная помеха может быть подавлена за счет деления выходного сигнала демодулятора на величину, пропорциональную амплитуде первич-

ных колебаний, т.е. на сигнал, который выделяется в схеме АРУ. Основное достоинство этого способа заключается в том, что еще при малых амплитудах первичных колебаний появляется возможность получить выходной сигнал ММГ с номинальной крутизной и уменьшить время готовности ММГ.

На стенде фирмы Acutronic проверена работа ММГ на основе ВКМ и аналоговой электроники. Результаты сравнительных испытаний по определению порога чувствительности отечественного и зарубежного (ADXRS150) образцов ММГ приведены на рис. 6. На графике изменений выходного сигнала ММГ четко видны скачки напряжения, соответствующие изменениям угловой скорости на 0,05°/с. Видно, что уровень шума в 2-3 раза ниже скачков напряжения, что позволяет оценить порог чувствительности этого ММГ как близкий к желаемому уровню 0,017с.

В главе приведена методика проектирования системы съема информации ММГ, в которой использованы разработанные методы расчета и технические решения по повышению точности ММГ RR-типа, изготавливаемого по технологии SOI, по лученные в диссертационной работе. Приведен вариант схемы этой системы с блоками, реализующими алгоритмы норми-

и„(В/

-0 398 04 43 402 0 404 -0 4С6 0 406 ■041 -0 412

w-

ММГ '^П

и

Uv. ;

......Ц/^уг

W

ММГ AI)

0 200 400 £00 800 1СС0 1200 14001 (с)

Рис. 6. Выходной сигнал ММГ рования сигналов и подавление аддитивной и мультипликативной помех. Эти технические решения защищены патентами РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертации формулируются следующим образом: 1. Созданы основы комплексной методики проектирования систем измерения перемещения ротора в ММГ /?/?-типа, которая включает в себя:

- рекомендации по выбору конфигурации электродной структуры и конструкции микромеханической части ММГ;

- методику расчета характеристик этой структуры;

- апробированные схемы многоканальных преобразователей емкость -напряжение и необходимые расчетные соотношения;

- эффективные алгоритмы преобразования выходных сигналов преобразователей емкость-напряжение, полученные на основе оптимизации отношения «сигнал/шум».

3. Разработано пять модификаций схемы двухканального преобразователя емкость - напряжение (две с частотным разделением сигналов на основе интегральной схемы одноканапьного преобразователя емкость - напряжение MS3110, три с пространственным разделением сигналов, различающиеся по форме и частоте несущей).

4. Разработана эквивалентная электрическая схема электродной структуры ММГ ЛЛ-типа, выполненного по технологии SOI, учитывающая паразитные связи между электродами через слои кремния и оксида кремния, и на ее основе оценено влияние этих связей.

5. Разработаны предложения по модификации конструкции ВКМ, обеспечивающие повышение точности ММГ Л/?-типа. Эти предложения включают в себя введение дополнительных электродов над зубцовой зоной ротора для подавления квадратурной помехи, увеличение толщины изоляционного слоя под электродами крышки, заземление (соединение с общим проводом источника питания) слоя металлизации на периметре основания и слоев кремния основания и крышки.

6. На основе оптимизации отношения «сигнал/шум» разработаны алгоритмы преобразования выходных напряжений трансрезистивных усилителей, входящих в состав двухканального преобразователя емкость - напряжение, и схемы на аналоговых элементах, реализующие эти алгоритмы, обеспечивающие работу ВКМ в режиме ММГ.

7. Проведены экспериментальные исследования ММГ с аналоговыми электронными блоками. В результате испытаний получены следующие характеристики ММГ: порог чувствительности 0,027с, диапазон измеряемых скоростей 1507с.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Некрасов Я.А. Активные электростатические подвесы / Я.А.Некрасов, В.С.Фрезинский,- J1. : ЦНИИ «Румб», 1987,- 112 стр.

2. Попова И.В. Термостатирование микромеханических инерциальных датчиков / И.В.Попова, Н.В.Моисеев, Я.А.Некрасов, А.А.Семенов // Нано- и микросистемная техника, 2001,- № 5,- С.22-24.

3. Некрасов Я.А. Анализ замкнутых систем с резонансными звеньями в программах PSPICE и SIMULINK : сб науч. тр. Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде Matlab», 2004.-С.1583-1588.

4. Некрасов Я.А. К вопросу выбора преобразователя емкость - напряжение для микромеханического гироскопа / Н.В. Моисеев, Я.А. Некрасов // Микросистемная техника МСТ-2004. Материалы Международной научной молодежной школы- 20-25.09.2004,- С. 94-101.

5 Пешехонов В.Г. Результаты разработки микромеханического гироскопа / В.Г. Пешехонов [и др.] // XII С.-Петербургская межд. конф. по интегрированным навигац. системам. : сб. науч. тр.- С.-Петербург: ЦНИИ "Электроприбор", 2005.С.

6. Пешехонов В.Г., Результаты разработки микромеханического гироскопа / В.Г. Пешехонов [и др.] // V международная научно-техническая конференция «Гиротехнологии, навигация и управление движением» : Сборник докладов,- Киев: НТУУ «КПИ», 2005. - С.28-36.

7. Peshekhonov V.G. Development and Test Results of a Micromechanical Disc-shape Gyroscope / V.G. Peshekhonov [et al.] // Symposium Gyro Technology, 2005. - pp.8.0-8.10.

8. Пешехонов В Г. Результаты разработки микромеханического гироскопа / В.Г. Пешехонов [и др.] // Гироскопия и навигация, 2005. - № 3(50). С.44-51.

9. Некрасов Я.А. Система подавления квадратурной помехи в выходном сигнале микромеханического гироскопа. / Т.А.Андреева, Я.А.Некрасов // VII конференция молодых ученых «Навигация и управление движением»: сб. докл. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2006 - С. 175-181.

Ю.Некрасов Я.А. Подавление квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе с помощью электродов, расположенных над зубцовой зоной / Т.А. Андреева, C.B. Багаева, Я.В. Беляев, Я.А. Некрасов : доклад на 25 конференции памяти Н.Н.Острякова, 2006.

11. A.c. № 866761. Устройство подавления квадратурной помехи в усилителе следящей системы / Некрасов Я.А. (СССР), 1981.

12. A.c. № 1045716. Способ измерения смещения подвешиваемого тела в активном электрическом подвесе и активный электрический подвес для реализации данного способа / Некрасов Я.А. (СССР), 1983г.

13. A.c. № 1223714. Способ измерения смещения подвешиваемого тела и активный электрический подвес для его осуществления / Я.А. Некрасов, К.В.Степанов, Г.Г.Ярощук (СССР), 1985г

14. A.c. № 1353073. Активный электрический подвес / Я.А. Некрасов, В.Н.Щербаков, Г.Г.Ярощук (СССР), 1985г.

15. Патент 2244271 РФ, МПК7 G 01 H 11/06. Способ контроля качества изготовления микромеханических устройств / Моисеев Н.В., Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ЦНИИ "Электроприбор" ; заявл. 13.05.2003 ; опубл. 10.01.2005, Бюл. № 1. - 7 с. : ил.

16. Патент 51233 РФ, G 01 Р 9/04. Устройство управления гребенчатым двигателем микромеханического датчика с резонансным подвесом дискового ротора / Моисеев Н.В., Некрасов Я.А. Уткин Д.А. ; заявитель и патентообладатель ЦНИИ "Электроприбор" ; заявл. 28.05.2004 ; опубл. 27.01.2006.

17. Патент 2272994 РФ, МПК G 01 С 19/56. Микромеханический гироскоп / Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" - 2004129010/28 ; заявл. 01.10.2004 ; опубл. 27.03.2006, Бюл. № 9. -9с.: ил.

18. Патент 2274833 РФ, МПК G 01 С 19/56. Устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа / Моисеев Н.В., Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" - 2004129009/28 ; заявл. 01.10.2004 ; опубл 20.04.2006 , Бюл. № 11. -8 с. : ил.

19. Патент 2279634 РФ, МПК G 01 С 19/56. Микромеханический гироскоп / Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Элек-

троприбор" - 2004129017/28 ; заявл 01.10.2004 ; опубл. 10 07.2006, Бюл. № 19. -9 с. : ил.

20. Патент N 2282149 РФ, МПК в 01 С 19/56. Двухканальное устройство измерения перемещений подвижного проводящего тела / Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" 2005107603/28; заявл. 10.03.2005 ; опубл. 20.08.2006, Бюл. № 23. -9с.: ил.

21. Патент 2282150 РФ, МПК в 01 С 19/56. Устройство управления гребенчатым двигателем микромеханического датчика / Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" - 2005107604/28 ; заявл. 10.03.2005 ; опубл. 20.08.2006, Бюл. № 23. -8с.: ил.

22. Патент 2282151 РФ, МПК в 01 С 19/56. Микромеханический гироскоп / Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" - 2005107602/28 ; заявл. 10.03.2005 ; опубл 20 08.2006, Бюл. № 23.-8 с. : ил.

23. Патент 2282152 РФ, МПК С 01 С 19/56. Устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа / Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" -2005110265/28 ; заявл. 30.03.2005 ; опубл. 20.08.2006 , Бюл. № 23. -8с.: ил.

24. Патент 2289100 РФ, МПК в 01 С 19/56 Способ измерения угловой скорости и микромеханический гироскоп для его реализации / Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" -2005131912/28 ; заявл. 11.10.2005 ; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34. - 17 с. : ил.

25. Патент 2289789 РФ, МПК в 01 С 19/56. Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний / Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" - 2005130466/28 ; заявл. 23.09.2005; опубл. 20.12.2006, Бюл. № 35. -8с.: ил.

26. Патент 2296301 РФ, МПК в 01 С 19/56. Способ измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний и устройство для реализации данного способа / Некрасов Я.А. ; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" - № 2005130467/28 ; заявл. 23.09.05, опубл. 27.03.07, Бюл №9,- 11 с. : ил.

27. Заявка 2006102652/28 РФ, МПК б 01 С 19/56. Микромеханический гироскоп вибрационного типа / Некрасов Я.А., Андреева Т.А. -заявл.20.01.06. Решение о выдаче патента на изобретение от 18.12.06.

Введение

1. Анализ конструкции проектируемого ММГ

1.1. Устройства обеспечения работы ММГ вибрационного типа

1.2. Конструкция микромеханического узла проектируемого ММГ

1.3. Конструкции чувствительных элементов ММГ RR-типа 28 Выводы по главе

2. Электродные структуры ММГ RR- типа

2.1. Задачи анализа электродных структур ММГ

2.2. Анализ гребенчатой электродной структуры ММГ RR-типа

2.3. Анализ электродной структуры с плоскими электродами

2.4. Взаимное влияние электродных структур каналов первичных и вторичных колебаний

2.5. Эквивалентная электрическая схема электродной структуры модуля ВКМ 64 Выводы по главе

3. Преобразователи емкость - напряжения для ММГ

3.1. Применения ПЕН в инерциальных датчиках

3.2. Принципы работы преобразователя емкости - напряжения

3.3. Анализ влияния паразитных емкостей на работу ММГ

3.4. Двухканальный и многоканальный ПЕН

3.5. Оценка разрешающей способности двухканального ПЕН 92 Выводы по главе

4. Подавление помех и выделение полезного сигнала в ММГ

4.1. Выделение сигнала на частоте первичных колебаний ПМ

4.2. Автогенератор

4.3. Подавление сигнала квадратурной помехи 102 4.4 Комплексное проектирование системы съема информации ММГ 109 Выводы по главе

Первый кремниевый микромеханический гироскоп (ММГ) был предложен Драйперовской лабораторией в 1991г. [16]. Он был построен на основе камертона, вводимого в резонанс действием электростатических сил. В дальнейшем были исследованы разные принципы построения ММГ, среди которых доминировали датчики с подвижным элементом или массой, совершающей колебательные перемещения (линейные, вращательные или линейно-вращательные) потому, что они оказались более удобными для массового изготовления существующими технологическими процессами. В литературе, в зависимости от вида перемещения подвижной массы, ММГ подразделяют на гироскопы LL-, RR- или смешанного, например, RL-типа [74]. В разных странах проводились интенсивные исследования, направленные на создание ММГ, но до 1998г. промышленного производства ММГ не существовало.

В 1997г. фирма Bosch разработала и с 1998г. начала применять ММГ в системах управления автомобилями [27]. Интересно отметить, что возбуждения колебаний ротора в нем осуществлялась силами магнитного, а не электрического поля. В дальнейшем компанией Bosch был разработан планарный ММГ ЯЯ-типа с электростатическим возбуждением [12].

В 2002г. фирма США Analog Devices, Inc (ADI) первой начала промышленный выпуск ММГ, в котором на одном кристалле кремния объединяются микромеханические узлы с электроникой. Этот 2-х массовый ММГ LL-типа был выполнен по планарной технологии, его цена ниже $50 [13, 23]. Почти одновременно с ADI на рынке ММГ появились и другие фирмы, например, Kionix, Silicon Sensing Systems. Низкая цена ММГ значительно расширила области применения этих датчиков. Они начали широко применяться не только в относительно дорогих системах для обеспечения безопасности автомобилей и навигации, но и в тех потребительских товарах, где нужна стабилизация положения, например, в переносных фото- и видеокамерах. Высокоточные ММГ находят применение в военной технике. Например, разработанный Драйперовской Лабораторией ММГ внедряется фирмой Honeywell в управляемые ракеты и высокоточные снаряды [31].

На рис.1 показаны области применения ММГ [24].

S X

1> а <и 2 со X I О с л S

Сотовьк

Видеокамеры тел.

Оборонная промышленность

Автомобили с-мы торможения

GPS

Навигация

Промышленность

Системы стабилиза ции

-►

Точность Рис. 1. Области применения ММГ

Анализ рынка микромеханических систем показывает устойчивый рост производства и продаж микромеханических инерциальных датчиков [26]. На рис.2, показано изменение продаж за 5 лет. Как видно из диаграммы на рис.3 доля инерциальных датчиков на мировом рынке увеличивается при общей тенденции удвоения рынка за 5 лет.

Рис.2. Прогноз мировых продаж МЕМС микропневматические датчики ЗК% ине(н|*мпьмыед<мчмю1 двигатели 21% 3% другие типы датчиков

МЭМС 18% датчики давления

14%

РЧ МЭМС

1% микропневиатические датчики

27%

АР1/гие типы датчиков 10% оптические МЭМС — 22% датчики давления

14% ннсрциа льяые дагввм 22%

РЧ МЭМС 3% двигатели 5%

Рис.3. Доля разных типов микромеханических устройств на мировом рынке [26J

Ожидается, что мировой объем продаж ММГ также будет расти и к 2010г. составит $800млн (10-25$ за измерение одной компоненты вектора угловой скорости).

2009

2010

Рис.4. Объем продаж ММГ в мире

В 2005г. основная доля продаж ММГ (80% или 22млн. шт.) приходилась на автомобильный рынок, где ММГ использовались в системах торможения, безопасности и навигации. Для этих применений необходимы ММГ относительно невысокой точности (погрешность на уровне 0,1%, диапазон измеряемых угловых скоростей на уровне 100 - 300%) и низкой стоимости. Для вооружения требования по точности ММГ выше на 1-2 порядка. Соответственно и цена на эти ММГ не столь критична как изделий гражданского применения.

В настоящее время изготовлением ММГ занимаются следующие фирмы AnalogDevices, BEI • Technologies, Inc Honeywell, Kionixlnc, Matsushita Electric Industrial Co. Ltd, Motorola Automotive, Murata, Robert Bosch GmbH, SensoNor ASA, Silicon Sensing Systems Ltd, STMicroelectronics. Ожидается, что к ним присоединятся MELEXIS, SENSOR DYNAMIC, SMOTOROLA AUTOMOTIVE, FREESCALE, SAMSUNG, STM, INVENSENSE, MURATA, которые будут стараться занять свою нишу в области новых применений, потеснить действующие фирмы в завоеванных ими областях и не допустить на этот рынок новые фирмы [24].

Россия до 2000г. практически не участвовала не только в производстве, но и в разработке ММГ. Однако первые же сведения о создании работающих образцов привели к тому, что в России зарубежные фирмы стали патентовать свои технические решения, в частности, и по системам съема информации в ММГ [52, 53].

Первыми к работам по созданию ММГ в России приступило ЗАО "Гирооптика" [73]. В ЦНИИ "Электроприбор" разработка ММГ началась в 2001 г и велась под руководством д.т.н. проф. Несенюка Л.П. [72, А21, А19]. Была выбрана конструкция гироскопа RR-типа. Целью является создание ММГ с погрешностью на уровне 0,01% при диапазоне измеряемых угловых скоростей до 1000%. Технологическим партнером в этой работе является французская фирма Tronic's, владеющая технологией реактивно - ионного травления и кремний на изоляторе (SOI - Silicium on Isolator).

Проблемы, связанные с созданием микромеханического узла ММГ в ЦНИИ "Электроприбор", решались Евстифеевым М.И. [42, 43, 44, 45, 46] и

Унтиловым А.А [76]. Ими разработана конструкция вакуумированного кремниевого модуля (ВКМ), включающий в себя диск, диаметром Змм, подвешенный над основанием с помощью торсионов, и систему электродов.

Эти электроды используются в ММГ для формирования моментов, обеспечивающих необходимые колебания ротора, подстройки резонансных частот подвесов и съема информации о перемещениях ротора. Перемещения ротора, обусловленные кориолисовым ускорением, преобразуются в ММГ в изменения емкостей конденсаторов, которые образованы ротором и электродами, а изменения емкостей - в выходной электрический сигнал (Ueblx), пропорциональный измеряемой ММГ угловой скорости (х).

Работа ММГ характеризуется достаточно широким набором характеристик [33], среди которых можно выделить в качестве основных нелинейность коэффициента преобразования, дрейф и смещение нуля (Udp), напряжение шума (£/ш). Если заменить коэффициент Кпр на величину Кпр(х, d), зависящую от величин % и d, то выходной сигнал ММГ может быть представлен выражением: / ^

U^=Knp(x,d)x + U<)p+Uul. (В.1)

В этом случае задача повышения точности системы съема информации может рассматриваться как задача минимизации разности | Ueblx - К0%\ (.K=const).

В диссертации проведен анализ факторов, влияющих на величины Кпр(х, d), UdP и иш, для выполненного по технологии кремний на изоляторе (КИН) ММГ RR-типа, разработаны методы минимизации величин Udp, UM и |Кпр(х, d) - К01 и предложены технические средства реализации этих методов.

Основой системы съема информации в ММГ являются емкостные датчики перемещения, которые должны иметь очень высокую чувствительность и точность. С их помощью перемещения ротора на уровне 0,1 мкм преобразуются в электрический сигнал с погрешностью менее 0,01%, о что соответствует разрешающей способности этих датчиков менее 0,1 А.

При этом амплитуда колебаний ротора, обусловленных технологическими погрешностями изготовления ММГ, может даже превосходить амплитуду, соответствующую максимальной измеряемой скорости [36]. Поэтому значительная часть диссертации посвящена исследованию работы этих датчиков в ММГ RR- типа, выполняемого по технологии SOI, в том числе и влиянию на погрешности системы съема информации.

Технические решения, полученные при выполнении диссертационной работы и направленные на повышение точности системы съема информации в разрабатываемом в ЦНИИ "Электроприбор" ММГ, защищены патентами РФ.

В данной диссертации поставлено целью разработать методы и научные основы методик расчета и проектирования высокоточных систем измерения перемещения ротора ММГ RR-типа и их элементов, обеспечивающих значительное повышение точности измерения угловых скоростей с помощью ММГ.

Для того, чтобы получить точность ММГ близкую к 0,01%, необходимо с помощью емкостных датчиков измерять колебания его ротора с о погрешностью на уровне 0,1 А во всем диапазоне изменения амплитуд этих колебаний при достаточно высоком уровне помех и наличии паразитных емкостей, превосходящих измеряемые изменения емкостей на несколько порядков. Эта задача усложняется и тем, что ММГ является элементом массового изготовления, стабильность и воспроизводимость его параметров должны обеспечиваться по возможности без дорогостоящих операций измерения и подстройки, несмотря на относительно большие технологические допуски на величину межэлектродных зазоров в емкостных датчиках.

Требования к чувствительности систем съема информации в ММГ на два и более порядка превосходят достигнутый к началу 90-х годов уровень чувствительности емкостных датчиков прецизионных электростатических подвесов, применяемых в самых точных электростатических гироскопах, которые в России были разработаны под руководством А.С. Анфиногенова и Б.Е. Ландау.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить последовательность задач, которые сформулированы ниже.

1. Получение точной зависимости емкости датчика выходного канала ММГ от угла поворота ротора и межэлектродного зазора на основе решения трехмерной задачи электростатики.

2. Создание методики компенсации нелинейности зависимости емкости от угла поворота ротора и уменьшения влияния межэлектродного зазора на характеристики емкостного датчика.

3. Разработка эффективных методов подавления квадратурной помехи в ММГ ДД-типа.

4. Разработка схемотехнических принципов построения преобразователей емкость - напряжение для двухканальных емкостных датчиков с общим подвижным электродом, нечувствительных к влиянию паразитных емкостей между проводящим основанием и нанесенными на нем через изолирующий слой неподвижными электродами.

5. Разработка методов уменьшения уровня помех и паразитных связей между элементами ВКМ.

6. Оценка правильности методик расчета путем сопоставления расчетных данных, результатов математического и компьютерного моделирования и экспериментальных данных, полученных при испытании ВКМ с разработанными аналоговыми схемами на дискретных элементах.

Методы исследования

Для решения поставленной задачи в работе использовались методы и аппарат теоретической механики, теории электрических цепей, теории автоматического управления, аналоговой схемотехники, теории графов, математического анализа и компьютерное моделирование.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика определения функциональных зависимостей межэлектродных емкостей от угла поворота ротора и геометрических параметров электродов, методика расчета величин момента и коэффициента отрицательной жесткости в электродной структуре ММГ /?/?-типа, основанная на числовом решении трехмерной задачи электростатики

2. Методика алгоритмической линеаризации характеристики емкостного датчика с плоскими электродами для ММГ LL- и &К-типа и обеспечения инвариантности крутизны этих датчиков от межэлектродного зазора.

3. Методы подавления квадратурной помехи в ММГ ftft-типа, заключающиеся в формировании компенсирующего момента или электрических сигналов.

4. Анализ эффектов, выявляемых на максимально полной эквивалентной электрической схеме электродной структуры ММГ ЯЯ-типа, в которой учтены паразитные связи между электродами через слои кремния и оксида кремния.

5. Метод пространственного разделения измерительных сигналов в ММГ, реализуемый с помощью трансрезистивных усилителей, и создания на основе этого метода многоканальных преобразователей емкость -напряжение для многокоординатных микромеханических датчиков.

6. Методы уменьшения паразитных связей между элементами ВКМ и шумов, заключающиеся во введении дополнительных элементов в ВКМ, увеличении толщины слоя диэлектрика под электродами, параметрической оптимизации схемы преобразователя емкость - напряжение.

7. Результаты моделирования работы узлов ММГ с помощью программ PSPICE и MATLAB и экспериментальные данные, полученные при испытаниях ММГ на основе ВКМ с аналоговыми электронными блоками на дискретных элементах.

Новыми научными результатами являются:

- метод расчета характеристик электродной структуры ММГ /?/?-типа, основанный на числовом решении трехмерной задачи электростатики;

- методика оценки паразитных электрических связей в ММГ, выполняемых по технологии кремний на изоляторе, основанная на разработанной эквивалентной электрической схеме ММГ /?7?-типа, и методы уменьшения влияния этих связей на точность ММГ;

- новые апробированные схемы многоканальных преобразователей емкость - напряжение и методики их расчета, примеры моделирования для этого класса схем;

- алгоритмы преобразования выходных сигналов преобразователей емкость - напряжение, нахождение путей реализации этих алгоритмов;

- построение моделей узлов ММГ в программах Simulink и PSPICE;

- обоснование структуры комплексной системы проектирования систем съема данных ММГ RR-типа, основанной на разработанных методах, алгоритмах и схемах.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней:

- созданы двухканальные преобразователи емкость - напряжение с

1 о разрешающей способностью на уровне 10-20 аттофарад (1аФ = 10" Ф), которые уже используются в стендовой аппаратуре для проверки ВКМ и в ММГ с цифровой и аналоговой электроникой на дискретных элементах и обеспечивают разрешающую способность ММГ на уровне 0,02%;

- разработаны методы построения двухканальных преобразователей емкость-напряжение, которые используются при создании ASIC ММГ;

- выработаны рекомендации по изменению конструкции в части технологии изготовления деталей ВКМ (изменена конфигурация электродов и технология изготовления крышки, с учетом влияния емкостных датчиков изменены резонансные частоты подвеса ротора).

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе проведен анализ методов повышения точности системы съема информации зарубежных ММГ, разработанных в период с 1999 по 2004гг., проведено сравнение конструкций этих ММГ с конструкцией разрабатываемого в ЦНИИ "Электроприбор" ММГ и показано, что на начальной стадии разработки ни один из этих методов не был реализован в российском ММГ.

Во второй главе разработан метод расчета характеристик двух типов (гребенчатой и с плоскими электродами) электродных структур при использовании их в качестве преобразователей угол-изменение емкости и напряжение-момент и предложены алгоритмы нормирования, позволяющие создавать дифференциальные емкостные датчики угла, нечувствительные к изменениям межэлектродного зазора. Также проведен анализ взаимодействия этих структур и приведены результаты экспериментальной проверки ММГ, описана работа ВКМ с новой электродной структурой, обеспечивающей подавление квадратурной помехи. На основе оценок и измерений емкостей между электродами и проводящими слоями кремния элементов ВКМ составлена его эквивалентная электрическая схема, учитывающая паразитные электрические связи. Рассмотрены методы уменьшения влияния этих паразитных связей на работу системы съема информации в ММГ.

В третьей главе определены пути создания преобразователей емкость-напряжение (ПЕН) фемто- и аттофарадной точности для ММГ, выполненного по технологии SOI, при использовании которой паразитные емкости на порядок превосходят емкости между ротором и электродами.

На основе анализа применяемых в электростатических подвесах и ММГ преобразователей обоснован выбор варианта схемы преобразования изменений емкости в электрический сигнал для разрабатываемого ММГ.

Для выбранной схемы с учетом эквивалентной электрической схемы ВКМ получена оценка порога чувствительности, выработаны рекомендации по выбору параметров схемы для максимизации отношения сигнал/шум.

В четвертой главе рассмотрены методы уменьшения помех, создаваемых гребенчатым двигателем, проведен анализ работы адаптивной схемы компенсации квадратурной помехи, приведены результаты экспериментальной проверки разработанных технических решений для повышения точности системы съема информации. Эти испытания были проведены с ВКМ и аналоговыми электронными блоками на дискретных элементах и показали, что спектральная плотность шума ММГ с этими блоками составляет а порог чувствительности - 0,02%.

На основании приведенной в данной главе методики оценки разрешающей способности емкостного датчика угла в выходном канале ММГ сделан вывод, что достигнутый порог чувствительности емкостного у датчика составляет (4-10"Эта величина соответствует амплитуде о перемещений края ротора0,12 А.

В главе приведена блок-схема высокоточной системы съема информации, в которой использованы разработанные в диссертации технические решения, описана методика проектирования этой системы и проведена оценка ее потенциальной точности.

Основные результаты диссертации формулируются следующим образом:

1. Созданы основы комплексной методики проектирования систем измерения перемещения ротора в ММГЛ/?-типа, которая включает в себя:

- рекомендации по выбору конфигурации электродной структуры и конструкции микромеханической части ММГ;

- методику расчета характеристик этой структуры;

- апробированные схемы многоканальных преобразователей емкость -напряжение и необходимые расчетные соотношения;

- эффективные алгоритмы преобразования выходных сигналов преобразователей емкость-напряжение, полученные на основе оптимизации отношения «сигнал/шум».

3. Разработано пять модификаций схемы двухканального преобразователя емкость - напряжение (две с частотным разделением сигналов на основе интегральной схемы одноканального преобразователя емкость - напряжение MS3110, три с пространственным разделением сигналов, различающиеся по форме и частоте несущей).

4. Разработана эквивалентная электрическая схема электродной структуры ММГ RR-типа, выполненного по технологии SOI, учитывающая паразитные связи между электродами через слои кремния и оксида кремния, и на ее основе оценено влияние этих связей.

5. Разработаны предложения по модификации конструкции ВКМ, обеспечивающие повышение точности ММГ RR-типа. Эти предложения включают в себя введение дополнительных электродов над зубцовой зоной ротора для подавления квадратурной помехи, увеличение толщины изоляционного слоя под электродами крышки, заземление (соединение с общим проводом источника питания) слоя металлизации на периметре основания и слоев кремния основания и крышки.

6. На основе оптимизации отношения «сигнал/шум» разработаны алгоритмы преобразования выходных напряжений трансрезистивных усилителей, входящих в состав двухканального преобразователя емкость - напряжение, и схемы на аналоговых элементах, реализующие эти алгоритмы, обеспечивающие работу ВКМ в режиме ММГ.

7. Проведены экспериментальные исследования ММГ с аналоговыми электронными блоками. В результате испытаний получены следующие характеристики ММГ: порог чувствительности 0,02%, диапазон измеряемых скоростей 150%.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

А1. А.с. № 1045716 СССР. Способ измерения смещения подвешиваемого тела в активном электрическом подвесе и активный электрический подвес для реализации данного способа / Некрасов Я.А., 1983г.

А2. А.с. № 866761. Устройство подавления квадратурной помехи в усилителе следящей системы / Некрасов Я.А. (СССР), 1981.

A3. А.с. № 1223714 СССР. Способ измерения смещения подвешиваемого тела и активный электрический подвес для его осуществления. / Некрасов Я.А., Степанов К.В., Ярощук Г.Г., 1985г.

А4. А.с.№ 1353073 СССР. Активный электрический подвес / Некрасов Я.А., Щербаков В.Н., Ярощук Г.Г., 1985г.

А5. Некрасов Я.А., Андреева Т.А. Система подавления квадратурной помехи в выходном сигнале микромеханического гироскопа. // VII конференция молодых ученых «Навигация и управление движением»: сб. докл. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2006. -С.175-181.

А6. Некрасов Я.А., Фрезинский B.C. Активные электростатические подвесы, ЦНИИ Румб, 1987г., 112стр.

А7. Некрасов Я.А. Анализ замкнутых систем с резонансными звеньями в программах PSPICE и SIMULINK : сб. науч. тр. Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде Matlab», 2004.-С. 1583-1588.

А8. Патент 2244271 РФ, МПК7 G 01 Н 11/06. Способ контроля качества изготовления микромеханических устройств / Моисеев Н.В., Некрасов Я.А.; заявитель и патентообладатель ЦНИИ "Электроприбор" ; заявл. 13.05.2003; опубл. 10.01.2005, Бюл. № 1. - 7 с.: ил.

А9. Патент 2282152 РФ. Устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа / Некрасов Я.А., 30.03.2005.

А10.Патент 2289789 РФ, МПК G 01 С 19/56. Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний / Некрасов Я.А.; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" - 2005130466/28; заявл. 23.09.2005; опубл. 20.12.2006, Бюл. № 35. - 8 е.: ил.

All.Патент № 2272994 РФ. Микромеханический гироскоп / Некрасов Я. А.; 01.10.2004.

А12.Патент № 2274833 РФ. Устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа / Некрасов Я.А., Моисеев Н.В., 20.04.2006.

А13.Патент № 2279634 РФ. Микромеханический гироскоп / Некрасов Я.А., 01.10.2004.

А14.Патент № 2282149 РФ. Двухканальное устройство измерения перемещений подвижного проводящего тела / Некрасов Я.А, приоритет 10.03.2005г.

А15.Патент № 2282151 РФ Микромеханический гироскоп / Некрасов Я.А., Беляев Я.В., 10.03.2005г.

А16.Патент 2289100 РФ, МПК G 01 С 19/56 Способ измерения угловой скорости и микромеханический гироскоп для его реализации / Некрасов Я.А.; заявитель и патентообладатель ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор" -2005131912/28 ; заявл. 11.10.2005 ; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34. - 17 с. : ил.

А17.Патент№ 51233 РФ. Устройство управления гребенчатым двигателем микромеханического датчика с резонансным подвесом дискового ротора / Некрасов Я.А., Уткин Д.А., 28.05.2004.

А18.Пешехонов В.Г., Несенюк Л.П., [Кунерков С.Г.|, Евстифеев М.И., Некрасов Я.А. Результаты разработки микромеханического гироскопа. -XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным системам. - 2005 г. - с.268-274.

А19.Пешехонов В.Г. Результаты разработки микромеханического гироскопа / В.Г. Пешехонов [и др.] // Гироскопия и навигация, 2005. -№3(50). С.44-51.

А20.Попова И.В. Термостатирование микромеханических инерциальных датчиков / И.В.Попова, Н.В.Моисеев, Я.А.Некрасов, А.А.Семенов // Нано- и микросистемная техника, 2001,- № 5.- С.22-24.

A21.Peshekhonov V.G Development and Test Results of a Micromechanical Disc-shape Gyroscope / V.G. Peshekhonov [et al.] // Symposium Gyro Technology, 2005. -pp.8.0-8.10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Alper S.E., Akin Т. A Single-Crystal Silicon Symmetrical and Decoupled MEMS Gyroscope on 1.sulating Substrate, J. of MEMS, v. 14,N4, 2005 pp707-717.

2. Acar C. DISSERTATION 'Robust Micromachined Vibratory Gyroscopes" UNIVERSITY OF CALIFORNIA, 2004, 257pp.

3. Acar C., Shkel A. An Approach for Increasing Drive -Mode Bandwidth of MEMS Vibratury Gyroscopes / Journal of MEMS v/14 N3,- pp 520-528, 2005.

4. Acar C. Shkel A. Stucturally decoupled micromachined gyroscopes with postrelease capacitance enhancement / Journal of Micromech. Microeng.15,- pp 10921101,2005.

5. Ayazi F., Najafi K. HARPSS MEMS Technology, J. of MEMS, v.9, pp288-294, 2000.

6. Bernstein J., Cho S., King А. Т., Kourepenis A., Maciel P., and Weinberg

7. M., "A micromachined comb-drive tuning fork rate gyroscope," in Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems, Feb., 1993, pp. 143-148.

8. Boser B. Analysis and Design of VLSI Analog-Digital Interface Circuits, Berkeley EECS247, lecture 4, 2002.

9. Bruel M. Silicon On Insulator material technology Electronics Letters, July 1995 vol.31 N 14, ppl201-1202.

10. Clark, W.A., Howe, R.T., and Horowitz, R. Surface micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope. Technical Digest. Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, S.C., June 1996, pp. 283-287.

11. Data Sheet XE2004ProgrammableLow Power Capacitive Sensor Conditioning 1С / www.xemics.com/xe2004datasheet.pdf

12. Fedder G.K. Simulation of Microelectromechanical Systems. Ph.D. Thesis, EECS Department, University of California at Berkeley, September 1994.

13. Funk K., Schilp A., Offenberg M. "Surface micromachining of Resonant Silicon Structure", Transducers' 95, 519-News, page 50

14. Geen J.A., "A Path to Low Cost Gyroscopy", Tech. Dig. Solid-State Sensors and Actuators, 51-54, Hilton Head, SC, June 8-11, 1998.

15. Geen J.A. et al Single Chip Surface Micromachined Integrated Gyroscope With 50°/h Allan Deviation.: IEEE Journal of Solid-State Circuits.

16. Geiger W. et al. Decoupled Microgyros and the Design Principle DAVED, Sensors and Actuators A (Physical), vol. A95, No.2-3, Jan. 2002.

17. IEEE STD 1431-2004 Standard Specification Format Guide and Test Procedure for Coriolis Vibratory Gyros, http://standards.ieee.org/reading/ieee/

18. Knutti J.W., Allen H.V., Silicon Microstructures, Inc., Milpitas, CA, USA Evolution of Inertial Markets and Milestones

19. Lutz M. et al "A precision Yaw Rate Sensor in Silicon Micromachining", Transducers'97 pp847-850.

20. Renard S. SOI micromachining technologies for MEMS. Tronic's Microsystems.

21. Sawer W.D., Prince M.S., Brown G.J. SOI bonded wafer process for high precision MEMS inertial sensors Journal of Micromechanics and Microengineering 15(2005) pp 1588-1593

22. Smith L., Sheingold D.H. Noise and Operational Amplifier Circuits Analog Dialogue 3-1, 1969

23. Soehren W., Schipper В., and Lund C., "A MEMS Based, Guidance, Navigation and Control Unit", PLANS 2002

24. Tang W.C., Lim M.G, Howe R.T. Electrostatic Comb Drive Levitation and Control Method, J. of MEMS, vol.1, N4, 1992.

25. Tang W.C., Nguyen T-C., Howe R.T. Laterally driven Polysilicon Resonant Microstructures, Sensors and Actuators, vol.20, pp25-32, 1989.

26. Tang, W.C. Electrostatic Comb-Drive for Resonant Sensor and Actuator Applications. Ph.D. Thesis, University of California at Berkeley, 1990.

27. Weinberg, Marc S. Patent № US6,571,630B1 Dynamically balanced microelectromechanical device

28. Weinberg, Marc S., Member, ASME, and Anthony Kourepenis. Error Sources in In-Plane Silicon Tuning-Fork MEMS Gyroscopes. Journal of microelectromechanical systems, vol. 15, No. 3, June 2006, pp.479-491.

29. Wyatt Owen Davis, Mechanical Analysis and Design of Vibratory Micromachined Gyroscopes. Ph.D. Thesis, University of California at Berkeley, 2001, 166pp, p. 143.38. www.analog.com/ad835.pdf

30. Xie H., Fedder G. Integrated Micromechanical Gyroscopes. Journal of Aerospace Engineering, April 2003, pp65-75.

31. Азов A.K., Веселое B.A., Щербаков B.H. Усилители следящих систем переменного тока, JI., Энергия, 1972, 152стр.

32. Достал И. Операционные усилители.: М, Мир, 1982г, 512стр.

33. Евстифеев М.И. Классификационные признаки конструкций микромеханических гироскопов. Гироскопия и навигация. - 2004. - № 3(46).-с. 30-37.

34. Евстифеев М.И. Оценка порога чувствительности микромеханических гироскопов. Гироскопия и навигация. - 2003. - № 1. - С. 27-33.

35. Евстифеев М.И. Погрешности микромеханического гироскопа на вибрирующем основании. Гироскопия и навигация - 2002 - №2. - С. 19-25.

36. Евстифеев М.И. Проблемы расчета и проектирования конструкций микромеханических гироскопов. Гироскопия и навигация, 2004. - №1. - с. 27-39.

37. Евстифеев М.И. Состояние разработок и перспективы развития микромеханических гироскопов//Навигация и управление движением. Сборник докладов II научно-технической конференции молодых ученых, С-Петербург, 2000, с.54-71.

38. Евстифеев М.И., Ковалев А.С., Лычев Д.И., Унтилов А.А., Шадрин

39. Ю.В. Исследование поведения чувствительного элемента микромеханического гироскопа на вибрирующем основании. Сборник трудов VII научно-технической конференции молодых учёных «Навигация и управление движением». - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2004.

40. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Энергоиздат, 1981г., 288стр., с. 144.

41. Клауснитцер Г. Введение в электротехнику: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 480 е., ил. с. 22.

42. Ленк А. Электромеханические системы. Мир, М., 1978г., 283стр.

43. Лестев A.M. Нелинейный параметрический резонанс в динамике микромеханического гироскопа. Известия ВУЗов, Приборостроение, т.47, №2, 2004, с. 36-42.

44. ЛИТЕФ ГмбХ (DE) заявка № 2005126307А Способ определения ошибки сдвига нуля кориолисова гироскопа.

45. ЛИТЕФ ГмбХ (DE) заявка № 2005126308А Способ компенсации ошибки сдвига нуля кориолисова гироскопа.

46. Мэзон С., Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. Изд. Иностранной литературы, М., 1983г., 619стр.

47. Осокин Ю.А. Теория и применение электромагнитных подвесов. : М. Машиностроение,- 1980г.-284стр.

48. Пат. США № 2006/0213266А1. Use of electrodes to cancel lift effects in inertial sensors / Howard B. French, 2006.

49. Пат. США №5205171. Miniature silicon accelerometer and method / O'Brien B.B. et al; Northrop Corporation (Hawthorne, CA), 1991.

50. Пат. США №6855612. Generation of mechanical oscillation applicable to vibratory rate gyroscope / M.A.Lemkin et al, 2001.

51. Пат. США № 5025346. Laterally driven resonant microstructure / Tang W.C., Howe R.T., 1991.

52. Пат. США № 5555765, Gimballed vibrating wheel gyroscope / Greiff P.; 1996.

53. Пат. США № 586970. Micromashined device with rotationally vibrated masses/GeenJ.A.; 1999.

54. Пат. США № 6067858. Micromashined vibratory rate gyroscope / Clark W.A. et al; The Regents of the University of California, Oakland, Calif. 2000.

55. Пат. США № 6370937. Method of canceling quadrature error in an angular rate sensor / Ying W.Hsu, 2002.

56. Пат. США № 6553833. Device for Bias Potential Generation for an Oscillating Rotation Speed Sensor / Funk et al; Robert Bosch GmbH, Stuttgart (DE). 2000.

57. Пат. США № 6626039. Electrically Decoupled Silicon Gyroscope / Adams S.G. et al; MilliSensor Systems and Actuators, Inc., West Newton, MA (US). -2000.

58. Пат. США № 6925877. Micromashined Devices with Apertures / Geen J.A.; 2005.

59. Пат. США № 7055387. Apparatus for and method of sensing a measured input / Elliott R., Ward P.A. 2006.

60. Пат.США № 6765305. Sensor-independent oscillation amplitude control / Mohaupt J. et al; Robert Bosch GmbH, Stuttgart (DE). 2004.

61. Пат США №6445195. Drive feedthrough nulling system / P.Ward, 2002r.

62. Пат. США №5530342. Micromashined Rate Sensor Comb Drive Device and Method / Murphy, Hugh J.; Rockwell International Corporation (Seal Beach, CA), 1994.

63. Пешехонов В.Г. и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным системам. - 2005 г. - с.268-274.

64. Попова И.В. и др. Микромеханические датчики и системы, практические результаты и перспективы развития. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным системам. - 2005 г. -с.262-267.

65. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тул. Гос. Университет, Московский гос. Технологический университет им. К.Э. Циолковского. Тула: Гриф и К., 2004. - 476 с.

66. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. : М, Мир, 1982г.,-512стр.

67. Унтилов А.А. Исследование и разработка упругого подвеса чувствительного элемента микромеханического гироскопа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.03 - Приборы навигации, С-Петербург, 2005.

68. Настоящий акт в том, что результаты диссертационной работы Некрасова Я.А.:

69. Электронный блок для возбуждения первичных колебаний и съема информации на аналоговых элементах (эск. Номер Модуль 816-01) использован в опытных образцах микромеханического гироскопа с разрешающей способностью 0,05%.

70. Двухканальные преобразователи емкость-напряжение применены в стендовой аппаратуре для проверки вакуумированного кремниевого модуля (ВКМ).

71. Платы ДНИЯ.421221.022, ДНИЯ.421221.023, представляющие собой двухканальный преобразователь емкость-напряжение использованы в опытных образцах микромеханического гироскопа с цифровой электроникой на дискретных элементах.

72. Рекомендации по изменению конструкции ВКМ в части выполнения электродов и толщины изоляционного слоя под ними использованы в экспериментальной партии ВКМ.

73. Методика расчета влияния напряжения на электродах на резонансную частоту подвеса ротора по оси вторичных колебаний использована при выборе определении собственной частоты этого подвеса в экспериментальной партии ВКМ.