автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка микромеханических акселерометров и анализ динамики чувствительных элементов при вибрационных и ударных воздействиях

На правах рукописи

Федоров Максим Вячеславе

РАЗРАБОТКА МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ВИБРАЦИОННЫХ И УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации ( в технике и технологиях)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 УАЗ 2012

Санкт-Петербург 2012

005015845

005015845

Работа выполнена на кафедре механики Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор

Лестев Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

Северов Леонид Анатольевич - заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, заведующий кафедрой аэрокосмических систем ориентации, навигации и стабилизации.

Боронахин Александр Михайлович - кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова, заместитель заведующего кафедрой лазерных измерительных и навигационных систем.

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс »,

г. Санкт-Петербург

Защита состоится сИ мая 2012 г. п «14.00» часов на заседании диссертационного совета Д.212.233.02 при Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д.67

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета

Автореферат разослан « № » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

МиЛ)

Л.А. Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуалыюсть работы. Микромеханические акселерометры (ММА) -перспективные приборы современной микросистемой техники, интенсивно и динамично развивающегося научно-технического направления. Микромеханические акселерометры характеризуются уникально малыми массой и габаритами, низким потреблениям электроэнергии, возможностью функционирования в жестких условиях эксплуатации и на несколько порядков меньшей стоимостью, чем их традиционные аналоги. Область применения ММА чрезвычайно широка. ММА используются в малогабаритных системах ориентации и навигации для судов, летательных аппаратов различного назначения, в системах управления автомобилями, скважных приборах, системах управления артиллеристскими снарядами. ММА относятся к датчикам линейного ускорения низкого класса точности. В настоящее время, когда решены основные вопросы принципов построения, конструирования и технологии изготовления ММА, созданы экспериментальные образцы ММА. освоен серийный выпуск ММА рядом зарубежных фирм на первый план выступает проблема повышения метрологических и эксплуатационных характеристик приборов этого типа и создания ММА навигационного класса точности (случайная составляющая нулевого сигнала (о) - 0.01 mg, нестабильность масштабного коэффициента (а) ~ 0.1%). Решение указанной проблемы наряду с мерами конструкторско-технологического и схемотехнического характера связано с проведением теоретических исследований динамики чувствительных элементов (ЧЭ) ММА, основанных на анализе системных связей и на строгом учете факторов, оказывающих влияние на технические характеристики приборов. При решении теоретических проблем динамики ЧЭ ММА применяются методы конечно-элементного анализа с использованием современных вычислительных систем и аналитические методы, основанные на использовании методов системного анализа и дифференциальных уравнениях движения ЧЭ. Методы конечно-элементного анализа используются в процессе проектирования ЧЭ ММА при расчетах и анализе собственных частот и форм их колебаний, расчетах и анализе механических напряжений в элементах конструкций ЧЭ ММА при ударных и вибрационных воздействиях, анализе напряженно-деформированного состояния конструкции ЧЭ ММА при температурных воздействиях. Аналитические методы применяются при анализе взаимосвязей и взаимовлияния поступательных и угловых колебаний ЧЭ ММА, исследовании влияния на динамику и погрешности ММА нелинейной зависимости сил упругости от перемещений ЧЭ, оценке погрешностей ММА, вызванных внешними воздействующими факторами. Вместе с тем, основные теоретические результаты по

исследованию динамики и погрешностей ММА получены на основании линеаризованных дифференциальных уравнений движения ЧЭ, не учитывающих взаимовлияние поступательных и угловых перемещений ЧЭ ММА. Выявление влияния нелинейных факторов на динамику ЧЭ и точность ММА. анализ системных связей и особенностей функционирования системы в условиях применения на вибрирующем основании -актуальная проблема современного приборостроения и микросистемой техники. На этом основании тема диссертации, посвященной разработке ММА и анализу динамики ЧЭ при вибрационных и ударных воздействиях, анализу влияния нелинейных факторов, взаимосвязей и взаимовлияния поступательных и угловых колебаний на динамику ЧЭ ММА является важной и актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка ММА, применяемых в составе трехосного акселерометрического навигационного блока, аналитический анализ динамики ММА в условиях вибрационных воздействий, основанный на нелинейных дифференциальных уравнениях ЧЭ ММА, анализ динамики ММА с использованием комплекса конечно-элементного анализа /\NSYS. выработка рекомендаций по устранению нежелательных явлений в динамике ЧЭ ММА.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ современного состояния разработок и теоретических исследований динамики и погрешностей микромеханических акселерометров.

2. Обосновать выбор конструктивных схем ММА трехосного акселерометрического блока с взаимно ортогональными осями чувствительности, которые применяются в системах навигации и управления подвижными объектами различного назначения, с учетом физико-механических свойств конструкционных материалов, используемых для производства ММА.

3. Построить математические модели ЧЭ ММА в условиях вибрационного воздействия с учетом нелинейных факторов, взаимосвязи и взаимовлияния поступательных и угловых перемещений ЧЭ ММА, оказывающих влияние на движение ЧЭ.

4. Выполнить анализ вибрационных и ударных воздействий на ЧЭ ММА, исследовать влияние физико-механических свойств конструкционных материалов на динамику ЧЭ ММА с использованием аналитических методов и метода конечных элементов в комплексе

А^УБ.

5. Выполнить анализ вибрационного смещения положения равновесия ЧЭ ММА и разработать рекомендации по его устранению.

На защиту выносятся:

1. Обоснование выбора конструктивных схем микромеханических преобразователей линейного ускорения акселерометрического инерциапьного блока с взаимно ортогональными осями чувствительности с учетом прогрессивных групповых технологий современной микросистемой техники.

2. Математические модели ЧЭ осевого и маятникового ММА инерциального акселерометрического блока, учитывающие нелинейные слагаемые в дифференциальных уравнениях движения, взаимосвязь и взаимовлияние поступательных и угловых перемещений ЧЭ при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания.

3. Результаты аналитического и конечно-элементного анализа динамики ЧЭ осевого и маятникового ММА при гармонических и полигармонических вибрационных воздействиях, исследование взаимосвязи и взаимовлияния поступательных и угловых перемещений на динамику ЧЭ. исследование амилнтудно-частотных характеристик ЧЭ.

4. Анализ явления вибрационного смещения положения равновесия ЧЭ осевого и маятникового ММА при полигармонических вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания и рекомендации по повышению виброустойчивости приборов.

5. Результаты анализа динамики ЧЭ осевого и маятникового ММА при переменной частоте вибрационного воздействия, проходящей через частоту основного резонанса, исследования влияния нелинейных факторов и скорости прохождения через резонанс на амплитудные кривые ЧЭ ММА.

Объектами исследования являются маятниковый и осевой микромеханические акселерометры трехосного акселерометрического блока, применяемого в системах навигации и управления подвижными объектами различного назначения.

Методы исследования основаны на методах системного анализа и теории нелинейных колебаний динамических систем, численных методах решения дифференциальных уравнений, методах конечно-элементного анализа с использованием вычислительного комплекса АКЯУЯ.

Достоверность результатов обеспечивается корректностью постановки задач, строгостью применяемых методов исследования, совпадением результатов теоретических исследований с результатами конечно-элементного анализа в вычислительной системы и с результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна:

1. Построены математические модели ЧЭ ММА осевого и маятникового типов, учитывающие нелинейные слагаемые в дифференциальных уравнениях движения,

взаимосвязь и взаимовлияние поступательных и угловых перемещений ЧЭ ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания.

2. Исследовано явление вибрационного смещения положения равновесия ЧЭ маятникового и осевого ММА и даны оценки влияния вибрационного смещения положения равновесия на информационные характеристики приборов.

3. Выполнен анализ динамики ЧЭ осевого и маятникового ММА при переменной частоте вибрационного воздействия, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса, выявлено влияние нелинейных факторов и скорости прохождения через резонанс на амплитудные кривые ЧЭ ММА.

Практическая ценность. Практическая значимость диссертации определяется полученными результатами о влиянии нелинейных факторов и взаимозависимости поступательных п угловых движений ЧЭ ММА на погрешности приборов в условиях вибрационных воздействий, рекомендациями по повышению виброустойчивости и устранению нежелательных явлений в динамике ЧЭ ММА. Построенные аналитические модели и конечно-элементные модели с использованием вычислительной системы А^УБ, учитывающие контактное взаимодействие элементов конструкции прибора, позволяют анализировать динамические характеристики , вибро- и ударопрочность ММА при их проектировании.

Внедрение результатов. Результаты работы использованы в ОАО"ГИРООПТИКА"(Санкт-ГТетрбург) при проектировании и исследовании микромеханических акселеромегров осевого и маятникового типов. По результатам исследований созданы опытные образцы микромеханических акселерометров, применяемые в навигационных системах и системах управления подвижными объектами.

Апробация работы. Основные результаты обсуждались и докладывались на: Международный научно-технический конгресс (Санкт-Петербург, 2007) X конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2008, ЦНИИ"Электропрнбор"): Научной сессии ГАУП (Санкт-Петербург.2008, СПб ГУАП); XI конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2009, ЦНИИ"Электроприбор"); Научной сессии ГАУП (Санкт-Петербург,2009, СПб ГУАП): XII конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010, ЦНИИ"Электроприбор"): Научной сессии ГАУП (Санкт-Петербург.2010, СПб ГУАП); XIII конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011, ЦНИИ"Электроприбор").

Работа являлась победителем конкурса "УМНИК" (март 2008г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 18 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе получены 5 патентов на

полезную модель. Работы 2-4 и 6-12 выполнены самостоятельно, в работах 1,5, 13 автору принадлежат результаты моделирования и анализа ЧЭ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и библиографического списка. Общий обьем составляет 189 страниц, в том числе 130 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 102 наименования.

СО Д Е 1'Ж АIIIIЕ Д И ССЕ РТА ЦН И

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели, задачи работы и основные положения, выносимые па защиту. Определяются объекты исследования, показывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Излагается современное состояние разработок и исследований ММА. Приводится описание систем управления подвижными объектами на основе микромеханических датчиков параметров движения.

В первом разделе диссертации дается общая характеристика конструкций микромеханических акселерометров (ММА), отмечаются особенности конструкции ММА, представляющей собой неразделимый комплекс, состоящий из ЧЭ и функциональной элапроники, обеспечивающей требуемые условия работы ЧЭ и формирующей информационный выходной сигнал. Обосновывается выбор конструктивных схем ММА акселерометрического блока с тремя взаимно ортогональными осями чувствительности. Приводятся математические модели - системы дифференциальных уравнений движения ЧЭ осевого и маятникового ММА с учетом взаимосвязей и взаимовлияния поступательных и угловых перемещений инерционной массы ММА. Рассматриваются вопросы технологии изготовления ЧЭ ММА как электромеханических систем содержащих инерционные массы и функциональную электронику.

Для аналитического анализа динамики и оценки погрешности ММА в диссертации получены дифференциальные уравнения движения ЧЭ ММА на подвижном основании. С основанием прибора связана система координат Оху! с началом в центре торсионов для маятникового акселерометра и в положении статического равновесия центра масс ЧЭ для осевого акселерометра. Ось : направлена вдоль оси чувствительности маятникового ММА, ось х • вдоль оси чувствительности осевого ММА и вдоль оси торсиона маятникового ММА. Движение основания задается проекциями У„„Ут,Уо: скорости точки О на оси системы

координат Охуг и проекциями <уг. , со. угловой скорости основания на эти же оси. Принимается, что основание прибора совершает полигармонические вибрации, определяемые выражениями

I j '

С пластиной маятникового ММА связана система координат Сх'у':' с началом в центре масс пластины, ось :' направлена ортогонально плоскости пластины , оси х' и у' -в плоскости пластины (рисунок I). Положение чувствительного элемента - пластины маятникового ММА относительно корпуса прибора определяется перемещениями г и у центра масс пластины, отсчитываемыми от положения статического равновесия и углами и /5,(рисунок 2а). Положение чувствительного элемента - пластины осевого ММА относительно корпуса прибора определяется перемещениями х,уцентра масс пластины, отсчитываемыми от положения статического равновесия и углами а , Д и /?, (рисунок 26). Принимается, что центр масс пластины маятникового ММА расположен на оси Уна расстоянии / от оси торсиона. Используются следующие обозначения:«!- масса, Jlc,Jv,J:.,Jv,Ja,J.i. - моменты инерции относительно осей х',у'и центробежные .моменты инерции пластин ММА.

1- инерционные массы (пластины)

2 - торсионный подвес

3 - места крепления к основанию

Рисунок I - Конструктивные схемы ЧЭ осевого и маятникового ММА

Амплитуды колебаний основания, обобщенные координаты ЧЭ ММА дг,г,у,а,Д,/?, и их производные по времени считаются малыми величинами. Составив выражения для кинетической энергии ЧЭ ММА и использовав уравнения Лагранжа второго рода, дифференциальные уравнения движения пластины с учетом слагаемых второго порядка малости получены в виде:

для маятникового акселерометра: +т !2)-а + а + Л/(а)-У„. ■ Д -JC! Д, -т-1 :--т1- 1'аг +

+ ./_,, £2, ++JXy ■ О у - ! х П.г-т!2 Цг . Jу-р\ + Мр1 ■ А +с'/), -Р-->ху ■а-.1)г-р2- -Л- + ■ + ,

(/г-т-!2\р 2+щ ¡}2 ■[}■, -./,г -./.^ <5 = т-М1'„.г + /-1>ог)+ (2)

+ • С1у + Jy. ■ О- + Уд- • Од. +

т-у+Ру- у + Су ■ V = -т I '„у + О,. ?

Оа = я • (-- - >' • - - - ' Уог * '«г ' + 2 ■ V) + от • / ■ ■ Г„г - / ■ Р{ ■ О- ' - ■ Г„г + а •(•„,.- у ■ а - / ■ Д, а - Пх ■ у - 2ПХ ■ у - а ■ у -1 ■ Р2 ■ - / ■ • /?, -

-¡■р., п,, + 1-ргрг 1'их)^!. (рг-пу*р1-п, -/?, п. -рх п. +

+ Д, -/¡2 */>, ^fi2)■^Jy■^ar-пг + Д| -п. +д2 'П,, + (п„ - о. - п. + (3)

+ ,3, -Пу +Д| ■у32) + ./д.. -(П^ ■ Пг Пг +а-п1. + Д, 'Й + Д, -а + П,. -Пх +

+ а-йг * р)-пх ^ а - + J „ {йх ■ р2 * - а - й: -1аС1: - ¡¡2-а- Рт-а-

-п.-ах-#2-ях-й fi2)^Jк■^av2 *г-0,-аг + р2 - п.2 -2-п. •/?, -Р22у.

для осевого акселерометра:

т- х + /л ■ л + /•'(*) = т ■ V - Ог. х ох ~

»' У * Ру' У * <> -У = -т-('„,, - Оу,

+ + = -(Л. , (4)

■'.с-а*/,а-а*са-а-->х. • Д - ./,,, • /¡2 « -./ г . Пх +.1Х:- П. +./ ху ■ ау - Оа

■ Р\ * '■/?, - ■/„ • а -./к ■ /?2 = -У. • Пг + Jxz ■ О, + у к ■ П „ -

-Ь*^' к т '7*2 ' А " '5 " V' А = ' Л-' «г + V' "л " 'у- -«г- ■

В уравнениях (2 и 4) приняты обозначения; = + к'а,к\-

коэффициенты нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА: С,„.С/;,,С/,,,С1.,С..С\ " коэффициенты жесткости линейной составляющей силы упругого подвеса; Оа,0/п,0/п,0у,0.,0х - слагаемые второго порядка малости (для сокращения подробные выражения в автореферате приведены только для Оа); коэффициенты демпфирования.

Таким образом, в первой главе дано описание конструктивных схем, применяемых в составе ММА. Получены системы нелинейных дифференциальных уравнений движения на вибрирующем основании ЧЭ осевого и маятникового МхМА. В дифференциальных уравнениях движения ЧЭ сохранены слагаемые, обусловленные нелинейной зависимостью сил упругости подвеса от перемещения инерционной массы, и слагаемые, объясняющиеся особенностями динамики чувствительных элементов на упругих подвесах. Приведены основные параметры разрабатываемых ММА. Дано описание технологии изготовления ЧЭ ММА.

Во втором разделе диссертации проводится анализ динамики ЧЭ маятникового ММА при гармонических и полигармонических вибрациониых воздействиях, вызванных колебаниями основания. Выполнены расчеты амплитудно-частотных характеристик ЧЭ ММА и исследована зависимость амплитудно-частотных характеристик от параметров системы. Определено постоянное смещение положения равновесия ЧЭ ММА при поступательных и угловых вибрационных воздействиях и, вызываемые вибрационным смещением положения равновесия, погрешности ММА. Исследована зависимость постоянного смещения ЧЭ ММА от величины параметра затухания системы. Рассмотрено поведение ЧЭ ММА при переменной частоте вибрационного воздействия, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса.

При исследовании вибрационного смещения положения равновесия при полигармонических колебаниях основания решение дифференциальных уравнений (2) находилось методом последовательных приближений, ограничиваясь первым и вторым приближениями. Для решения уравнений первого приближения использовался комплексный метод. Смещение (а) положения равновесия ЧЭ ММА определялось из уравнений второго приближения осреднением нелинейных слагаемых на решениях уравнений первого приближения. Для маятникового акселерометра наиболее существенное влияние на погрешности прибора оказывает постоянное смещение ЧЭ по координате а:

(а} = —-(Оа), ((?„)- осредненное значение нелинейных слагаемых в первом Са

дифференциальном уравнении системы(З).

На рисунке 3 приведены амплитудно-частотные характеристики маятникового ММА, построенные на основании решений уравнений первого приближения. На рисунке 4 - графики постоянного смещения ЧЭ ММА маятникового типа при вибрационном воздействии одновременно относительно двух осей У и 2. при различных значениях коэффициента демпфирования. Величина постоянного смещения ЧЭ ММА при принятых значениях параметров ЧЭ и вибрации может достигать 3.5 10"7 рад, что составляет 1.5 Ю-4 мкм перемещения центра масс пластины в направлении оси чувствительности, и соответствует ошибке 2.4 Полученное значение погрешности значительно превышает допустимое для ММА навигационного класса точности (0.1 пщ). Для снижения данной погрешности необходимо: 1. Выбирать параметры прибора так, чтобы собственные частоты ЧЭ на упругом подвесе не попадали в спектр частот вибрационного воздействия. 2. Использовать инертные газы, для заполнения корпуса прибора, увеличивающие параметр затухания системы. 3. Применять компенсационный метод измерений.

Анализ динамики ЧЭ маятникового ММА при гармоническом воздействии проводился на основе первого уравнения системы (2):

а + 2А-а+1^-а + *-„-аг3=У-8т(ЛМ (5)

. а т-1{У„г-1аг)

VfK00pcs->»e чо Cfм 2 5g •

5- гирямсго затухай*« »C-S 2- Плс^амегэ загухаикя* S.2S

i- гарвгла'р загучэмия sü.i2S : s. г*а*.'ле?р загухаи;« =s.i

6- гвоэметр лагухэч;« sO.C62S . •• параметр зётухвчий =0.05

З 5

Угло-s*-® юлебэнич от.-оси-е.чъло ос» X ¿мплитудоЗ О.ОСОЗ рад

х20' : I :

1- па рал'етз заr/ханк я -0,5 пасам етз ззт^хьния г 0.25 з- Гвоамбто »тяган»« = о. 166 •

гарамртр мту*ания гЭ '•

5- паозметр затухания =C.i

6-'"'•арачвтр злухвна* = 0.0625; т.гараметрзатуканилгО.ОЗ •

:ьоо зооо

б)

к ■

1000 1500 2000 чвстога, Г^

2500 3000

Рисунок 3 - Амплитудно-частотные характеристики маятникового ММ А

а) - при поступательных колебаниях основания вдоль оси 2

б) - при угловых колебаниях основания относительно оси X.

хЮ Ускорение по осям У я X амплитудой 102

4(-.-.-,-,-

: 4- параметр затухания « 0,5 ; 2- параметр ззтух-внмя = с.25 >л* : 3-^аоаметр затухания =о.1бб /б! ' 4. параметр затуха^ич =0.125

: 5-параметр »аг/хания =с.1

6- г*эрзметр затухапия =0.С625

7-параметр затухания =0.С5

ткА

S00 1000 1500 2000 2500 ЗСЮО частота, Гц

Рисунок 4 - Вибрационное смещение ЧЭ маятникового ММА

В случае гармонического внешнего воздействия с постоянной частотой (О — у- I) решение уравнения (5) находилось в виде а = а ■ соб^ -¡ + 9), а = -а-у 5т(и •/ + 9).

Используя метод медленно меняющихся коэффициентов, получено уравнение стационарной резонансной кривой

. , 3 ,У

/!„->< +-•*■„ а-j

С '„+vy

(6)

и условие устойчивости стационарного движения ЧЭ ММА.

q --h- + пг, -г»-—--| | n„ - i'

4 ( J (

: 1

(7)

На рисунке 5 приведены графики стационарной резонансной кривой и границы области устойчивости при различных значениях коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА. На рисунке 5,а - стационарная резонансная кривая системы с малым значением коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА; на рисунке 5,6 - стационарная резонансная кривая системы с высоким значением коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА. Область неустойчивости выделена штриховкой.

а)

б)

Рисунок 5 - Стационарная резонансная кривая и область неустойчивости стационарного движения ЧЭ маятникового ММА

Анализ показал, что область неустойчивости расширяется с увеличением коэффициента нелинейной составляющей жесткости системы. При проектировании прибора необходимо выбирать параметры системы таким образом, чтобы зависимость жесткости системы от перемещений была близка к линейной.

Для анализа динамики ЧЭ маятникового ММА, проходящего с переменной частотой вибрационного воздействия через частоту основного резонанса, использован асимптотический метод Крылова-Боголюбова. Решение уравнения (5) находилось в виде а — а ■ сск(у ■ I + &). где а и 9 при = у„±у-1 определяются из системы уравнений

На рисунке 6 приведены графики амплитудных кривых при прохождении ЧЭ маятникового ММА через резонанс с различной скоростью. На рисунке 4,а - амплитудные кривые прохождения через резонанс линейной системы при возрастании частоты (у(1) = у„ + /-0- На рисунке 4,6 - амплитудные кривые прохождения через резонанс нелинейной системы при возрастании частоты.

</я 11»

(Ы у I 2

(8)

где </=4-, =

"а "о "а

[ 13 10~* | , у

ЩЛДД

г-я-»а-8 \/ Г^;

.....Т \ N /-/ 5 1фК1

а)

Частота, ед частота, ед

Рисунок 6 - Амплитудные кривые прохождения через резонанс

Таким образом, во втором разделе построена математическая модель динамики ЧЭ маятникового ММА на подвижном основании. Выполнен анализ влияния полигармонического вибрационного воздействия на ЧЭ маятникового ММА. Получены уравнения резонансных кривых ЧЭ мая'.-никового ММА. Исследована зависимость резонансных кривых при действии вибровозмущений на ЧЭ маятникового ММА от параметра затухания системы. Выполнено, исследование вибрационного смещения положения равновесия ЧЭ маятникового ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания, даны оценки вибрационных смещений и рекомендации по их устранению. Исследована динамика ЧЭ маятникового ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания с переменной частотой, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса. Определены области неустойчивости при различных значениях коэффициента нелинейности упругого подвеса ЧЭ маятникового ММА.

В третьем разделе диссертации приводятся результаты анализа динамики ЧЭ осевого ММА при гармонических и полигармонических вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания. Определены амплитудно-частотные характеристики ЧЭ ММА и исследована зависимость амплитудно-частотных характеристик от параметров системы. Определены постоянные смещения ЧЭ, возникающие при поступательных и угловых вибрационных воздействиях, и погрешности ММА, вызываемые вибрационным смещением положения равновесия. Исследована зависимость постоянного смещения ЧЭ ММА от величины параметра затухания системы. Рассмотрено поведение ЧЭ ММА при переменной частоте вибрационного воздействия, проходящей в процессе изменения через частоту резонанса.

Получены амплитудно-частотные характеристики, представленные на рисунке 7. Полученные результаты основаны на исследовании дифференциальных уравнений (3) Методы исследования аналогичны применяемым в разделе 2.

Рисунок 7 - Амплитудно-частотные характеристики осевого ММА

Рисунок 8 - Вибрационное смещение ЧЭ осевого ММА

На рисунке 8 приведен график вибрационного смещения ЧЭ ММА осевого типа при одновременном действии поступательной вибрации по оси у и угловой вибрации относительно оси г. Величина постоянного смещения ю-кг1" метра, что соответствует погрешности 0.024»«. Для ММА класса точности 0,01 тц полученное значение погрешности может превышать допустимые, что следует учитывать при проектировании прибора.

Анализ динамики ЧЭ при прохождении через резонанс производится гак же, как и для маятникового ММА. На рисунке 9 приведены графики стационарной резонансной кривой и границы области устойчивости при различных значениях коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА. На рисунке 9,а-стационарная резонансная кривая системы с малым значением коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА, на рисунке 9.6 - стационарная резонансная кривая системы с высоким значением коэффициента нелинейной составляющей жесткости упругого подвеса ЧЭ ММА, область неустойчивости выделена штриховкой.

Из приведенных графиков видно, что область неустойчивости увеличивается с увеличением коэффициента нелинейной составляющей жесткости системы. При проектировании необходимо выбирать параметры системы таким образом, чтобы система была близка к линейной.

а)

ЧЗС№Г>, Гц ^

Рисунок 9 - Стационарная резонансная кривая и область неустойчивости стационарного движения ЧЭ осевого ММА

— ЛЧХ 'у-' Обпастъ гвусгойчивостц

На рисунке 10 приведены графики амплитудных кривых при прохождении ЧЭ осевого ММА через резонанс с различной скоростью. На рисунке Ю.а - амплитудные кривые прохождения через резонанс линейной системы при возрастании частоты, на рисунке 10,6 -амплитудные кривые прохождения через резонанс нелинейной системы при возрастании частоты.

Таким образом, в третьем разделе построена математическая модель динамики ЧЭ осевого ММА на подвижном основании. Выполнен аначиз влияния полигармонического вибрационного воздействия на ЧЭ осевого ММА. Получены уравнения резонансных кривых ЧЭ осевого ММА. Исследована зависимость резонансных кривых при действии вибровозмущений на ЧЭ осевого ММА от параметра затухания системы. Выполнено исследование вибрационного смешения положения равновесия ЧЭ осевого ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания, даны оценки вибрационных смешений и рекомендации по их устранению. Исследована динамика ЧЭ

осевого ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания с переменной частотой, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса. Определены области неустойчивости при различных значениях коэффициента нелинейности упругого подвеса ЧЭ осевого ММА.

В четвертом разделе диссертации проводится анализ динамики ЧЭ осевого и маятникового ММА под действием различных внешних воздействующих факторов (ВВФ) методом конечных элементов с использованием вычислительной системы А№У8. Использование конечно-элементного комплекса А^УБ дает возможность оценивать различные параметры датчиков и вводить корректировку в конструкцию ЧЭ при проектировании прибора, для достижения требуемых параметров прибора за меньшее число итераций. В данном разделе определены амплитудно-частотные характеристики, собственные частоты и соответствующие им формы колебаний ЧЭ ММА. Исследована зависимость собственных частот ЧЭ от температуры окружающей среды. Определены механические напряжения и перемещения элементов конструкции ММА при вибрационных (в диапазоне частот до 2 кГц) и ударных воздействиях (Е0000§>. Проведен анализ динамики ЧЭ ММА при прохождении через резонанс. Исследовано влияние ориентации кремниевой структуры на динамические характеристики ЧЭ ММА.

Для проведения анализа были созданы конечно-элементные модели ЧЭ ММА (рисунок 11).

В данном разделе диссертации приводится сравнение результатов полученных аналитическими методами и методами конечных элементов с использованием комплекса АЫ8У8. Приводятся результаты экспериментальных исследований данных опытных образцов ММА, разработанных в ОАОТИРООПГИКА". Приведена зависимость корня квадратного из вариации Аллана сгА(т) от интервала усреднения г для ММА (рисунок 12). В таблице I приводится сравнительные характеристики ММА ОАОТИРООПТИКА" с ММА

ЧЭ маятникового ММА

ЧЭ осевого ММА

Рисунок 11 - Конечно-элементные модели ЧЭ ММА

фирм Analog Design и Honeywell (США). Анализ таблицы 1 свидетельствует о сопоставимости характеристик ММА, разработанных в ОАО'ТИРООПТИКА" с характеристиками зарубежных ММА.

(7(f), м/с3

выходного сигнала ММА при нулевом значении измеряемого ускорения

Таблица 1 - Сравнительные характеристики ММА ОАО "ГИРООПТИКА" с ММА фирм Analog Devices и Honeywell (США)

Тип прибора и фирма производитель Наименование характеристик

Нестабильность нулевого сигнала (Accelerometer Bias), mg Случайное блуждание нулевого сигнала (Velocity Random Walk), mgA/Гц

ММА ОАО "ГИРООПТИКА" (Санкт-Петербург) 0.8 1.0

ADIS16350/16355 Analog Devices 6.0 3.0

ADIS 16360/16365 Analog Devices 0.2 0.4

Модуль HG 1700 Honeywell 1.0 0.4

Модуль HG 1930 Honeywell 1.0 0.5

Таким образом, представлен алгоритм исследования динамики ЧЭ, основанный на использовании методов конечно-элементного анализа с применением вычислительной системы АЫБУЗ. Построены конечно-элементные модели ЧЭ маятникового и осевого ММА, и на их основе определены собственные частоты и формы колебаний ЧЭ ММА, выполнены

расчеты напряжений и перемещений в элементах конструкции ММА при ударных и вибрационных воздействиях с учетом контактного взаимодействия в комплексе ANSYS. исследовано влияние анизотропии кремния на динамические характеристики ММА, выполнен анализ динамики прохождения ЧЭ ММА через резонанс. Полученные с использованием метода конечных элементов результаты сопоставимы с результатами аналитических исследований. Приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов ММА, разработанных в ОАОТИРООПТИКА". Проведена обработка результатов исследований с использованием методики определения дисперсии Аллана. Дана сравнительная оценка нестабильное™ и случайного блуждания нулевых сигналов ММА, разработанных в ОАОТИРООПТИКА", с датчиками фирм Analog Devices и Honeywell (США) и отмечена сопоставимость указанных характеристик.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Построены математические модели - системы нелинейных дифференциальных уравнений движения на вибрирующем основании ЧЭ ММА с поступательным движением инерционной массы (осевой ММА) и с вращательным движением инерционной массы (маятниковый ММА). В системах дифференциальных уравнений движения ЧЭ сохранены слагаемые, обусловленные нелинейной зависимостью сил упругости подвеса от перемещений ЧЭ ММА, и слагаемые, объясняющиеся особенностями динамики ЧЭ на упругих подвесах.

2. Выполнен анализ влияния гармонического и полигармонического вибрационного воздействия на ЧЭ маятникового и осевого ММА. Получены уравнения резонансных кривых при действии вибровозмущений на ЧЭ маятникового и осевого ММА. Исследована зависимость резонансных кривых при действии вибровозмущений на ЧЭ маятникового и осевого ММА от параметров системы.

3. Выполнены исследования явлений смещения положений равновесия ЧЭ маятникового и осевого ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания - вибрационных смещений положений равновесия ЧЭ, даны оценки вибрационных смещений и рекомендации по повышению виброустойчивости приборов.

4. Исследована динамика ЧЭ ММА при вибрационных воздействиях, вызванных колебаниями основания с переменной частотой, проходящей в процессе изменения через частоту основного резонанса. Определены области неустойчивости при различных значениях коэффициента нелинейности упругого подвеса ЧЭ маятникового и осевого ММА. Определены резонансные кривые при прямом (частота возрастает с увеличением времени) и обратном (частота уменьшается с увеличением времени) прохождении через резонанс,

выявлены особенности влияния нелинейностей характеристик сил упругости подвеса ЧЭ и скорости прохождения через резонанс на амплитудные кривые ЧЭ ММА.

5. Представлен алгоритм исследования динамики ЧЭ, основанный на использовании методов конечно-элементного анализа с применением вычислительной системы ANSYS. Построены конечно-элементные модели ЧЭ маятникового и осевого ММА, и на их основе определены собственные частоты и формы колебаний ЧЭ ММА, выполнены расчеты напряжений и перемещений в элементах конструкции ММА при ударных и вибрационных воздействиях, исследовано влияние анизотропии кремния на динамические характеристики ММА. выполнен анализ динамики прохождения ЧЭ ММА через резонанс. Полученные с использованием метода конечных элементов результаты сопоставимы с результатами аналитических исследований. Приведены результаты экспериментальных исследований опытных образцов ММА. Проведена обработка результатов исследований с использованием методики определения дисперсии Аллана. Дана сравнительная оценка нестабильности и случайного блуждания нулевых сигналов ММА с датчиками фирм Analog Devices и Honeywell (США).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Содержание диссертации опубликовано в работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Федоров, М. В. О вибрационной погрешности маятникового микромеханического акселерометра / М. В. Федоров, A.M. Лестев. Гироскопия и навигация, 2011, №3 (74), с. 96-100.

2. Федоров, М. В. Влияние ориентации кремниевой структуры на механические свойства микромеханических акселерометров / М. В. Федоров. Гироскопия и навигация, 2011, №4 (75). с. 94-98.

3. Федоров, М. В. Влияние вибрационных воздействий на динамику и точность маятникового микромеханического акселерометра / М. В. Федоров. Гироскопия и навигация, 2009, №2 (65), с. 98.

4. Федоров. М. В. Конечно-элементный анализ конструкции чувствительного элемента маятникового микромеханического акселерометра. / М. В. Федоров. Гироскопия и навигация, 2010, №2 (69). с. 63.

5. Федоров, М. В. Результаты разработки, конечно-элементного анализа и экспериментальных исследований микромеханических гироскопов и акселерометров. / М. В. Федоров, В. Н. Ходуров, М. А. Лестев. Гироскопия и навигация, 2010, №2 (69), с. 63.

Другие статьи и материалы:

6. Федоров, М. В. Влияние ориентации кремниевой структуры на механические свойства микромеханических акселерометров / М. В. Федоров. Материалы X конференции молодых ученых "Навигация и управление движением". С.-Пб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор". 2009, С. 355 - 362.

7. Федоров, М. В. Влияние температурных факторов на динамические характеристики микромеханических акселерометров / М. В. Федоров. Научная сессия ГУАП часть 1 технические науки, под общей редакцией д.т.н., проф., засл. деят. науки РФ В.И. Хименко: СПбГУАП, 2008, С. 190- 195.

8. Федоров, М. В. Влияние вибрационных воздействий на динамику и точность маятникового микромеханического акселерометра / М. В. Федоров. Материалы XI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", С.-Пб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Элестроприбор". 2009, С. 386 - 392.

9. Федоров. А/. В. Динамика и погрешности микромеханических акселерометров при вибрационном воздействии / М. В. Федоров. Научная сессия ГУАП часть 1 технические науки, под общей редакцией д.т.н., проф., засл. деят. науки РФ В.И. Хименко: СПбГУАП, 2009, С. 208-212.

10. Федоров. А/. В. Конечно-элементный анализ конструкции чувствительного элемента маятникового микромеханического акселерометра. / М. В. Федоров. Материалы XII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", С.-Пб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2010, С. 392- 397.

11. Федоров. А/. В, Конечно-элементный анализ конструкций чувствительных элементов маятникового и осевого микромеханических акселерометров ./ М. В. Федоров. Научная сессия ГУАП часть 1 технические науки, под общей редакцией д.т.н., проф., засл. деят. науки РФ В.И. Хименко: СПбГУАП, 2010, С. 205 - 209.

12. Федоров. А/. В. Разработка методики исследования влияния ориентации кремниевой структуры на механические свойства микромеханических акселерометров / М. В. Федоров. "У.М.Н.И.К." в Санкт-Петербурге. Разработки победителей конкурса программы Фонда содействия малых предприятий в научно-технической сфере, 2011, с.87-89.

13. Попова И.В. Микромеханические инерциальные преобразователи параметров движения и навигационные системы / И.В. Попова, A.A. Шабров. A.M. Лестев, М.В. Федоров. Международный научно-технический конгресс "Мехатроника и робототехника", сборник тезисов, Санкт-Петербург, 2007, с.71.

Патенты:

14. Бурцев В.А., Бурханов В.Ю., Зуев В.Г.. Попова И.В., Семенов A.A., Смолещев С.С.. Федоров MB. Малогабаритная инерциальиая система управления движением/ Патент РФ № 73475 (заявка № 2008104101 от 04.02.2008). Опубликован 20.05.2008. Класс G01C21/00.

15. Бурцев В.А., Попова И.В.. Семенов A.A.. Федоров А1.В. Микромеханический осевой акселерометр/ Патент РФ № 66060 (заявка № 2007119932 от 28.05.2007). Опубликован 27.08.2007. Класс G01P15/08.

16. Бурханов В.Ю.. Лестев A.M.. Лестев М.А., Попова И.В., Смоленцев С.С., Устгшенко Т.Г., Федоров М.В. Бесплатформенная инерциальиая навигационная система/ Патент РФ № 75033 (заявка№ 2008114463 от 14.04.2008). Опубликован 20.07.2008. Класс G0IC21/00.

17. Иванов В.А., Лестев A.M.. Попова И.В.. Федоров М.В. Микромеханический гироскоп-акселерометр/ Патент РФ № 81799 (заявка № 2008150887 от 22.12.2008). Опубликован 27.03.2009. Классы G01P15/08. G01C19/56.

18. Лестев A.M., Попова И.В., Ефгшовская A.B., Федоров М.В. Микромеханический гироскоп/ Патент РФ № 84541 (заявка № 2009105378 от 16.02.2009). Опубликован 10.07.2009. Класс G01С 19/56.

Формат 60x84 1\16 Бумага офсетная. _Тираж 100 экз. Заказ № 180.

Редакционно-издательский центр ГУАП 190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67

,/ //

61 12-5/2981

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

Федоров Максим Вячеславович

РАЗРАБОТКА МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ВИБРАЦИОННЫХ И УДАРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук профессор Лестев Александр Михайлович

Санкт-Петербург 2012

Содержание

Стр.

Введение.......................................................................................4

1 Конструктивные схемы, дифференциальные уравнения движения и технология изготовления чувствительных элементов микромеханических акселерометров.....................................................26

1.1 Общая характеристика конструкций микромеханических акселерометров..................................................................................26

1.2 Микромеханические акселерометры с поступательным движением чувствительного элемента............................................28

1.3 Микромеханические акселерометры с вращательным движением чувствительного элемента.............................................35

1.4 Технология изготовления МЭМС структур.................................... 42

1.5 Выводы................................................................................................59

2 Анализ динамики чувствительного элемента маятникового микромеханического акселерометра при вибрационных воздействиях...................................................................................................59

2.1 Амплитудно-частотные характеристики чувствительного элемента маятникового ММА и их зависимость от

параметра затухания..........................................................................60

2.2 Постоянное смещение чувствительного элемента маятникового ММА при действии вибрационного воздействия

и его зависимость от параметра затухания.....................................74

2.3 Анализ динамики чувствительного элемента

маятникового ММА при прохождении через резонанс.................78

2.4 Выводы................................................................................................94

3 Анализ динамики чувствительного элемента осевого микромеханического акселерометра при вибрационных воздействиях..................................................................................................95

3.1 Амплитудно-частотные характеристики чувствительного элемента осевого ММА и их зависимость от параметра затухания.............95

3.2 Постоянное смещение чувствительного элемента осевого ММА при действии вибрационного воздействия

и его зависимость от параметра затухания.....................................105

3.3 Анализ динамики чувствительного элемента осевого ММА

при прохождении через резонанс....................................................109

3.4 Выводы...............................................................................................124

4 Конечно-элементный анализ чувствительных элементов маятникового и осевого микромеханических акселерометров...........125

4.1 Метод конечных элементов..............................................................125

4.2 Собственные частоты и АЧХ чувствительных элементов маятникового и осевого ММА..........................................................129

4.3 Анализ влияния температурных факторов на динамические характеристики чувствительных элементов маятникового

и осевого ММА...................................................................................134

4.4 Анализ влияния вибрационных воздействий на чувствительные элементы маятникового и осевого ММА.........................................139

4.5 Анализ влияния ударных воздействий на чувствительные элементы маятникового и осевого ММА..........................................................143

4.6 Анализ влияния ориентации кремниевой структуры

на технические характеристики ММА.............................................160

4.7 Сравнение результатов аналитического метода и метода конечных элементов. Исследование экспериментальных образцов...............169

4.8 Выводы................................................................................................173

Заключение...................................................................................174

Библиографический список...............................................................176

Введение

Актуальность темы. Микромеханические акселерометры (ММА) - перспективные приборы современной микросистемной техники, интенсивно и динамично развивающегося научно-технического направления [1, 7, 17, 34, 35, 51, 56, 61, 62, 63, 64, 65, 24]. Создание ММА ознаменовало революционный процесс в современной инерциальной технологии [24]. Микромеханические акселерометры характеризуются уникально малыми массой и габаритами, низким потреблениям электроэнергии, возможностью функционирования в жестких условиях эксплуатации и на несколько порядков меньшей стоимостью, чем их традиционные аналоги. Область применения ММА чрезвычайно широка. ММА используются в малогабаритных системах ориентации и навигации невысокой стоимости для судов, летательных аппаратов различного назначения, автомобилях, скважных приборах, системах управления ар-тиллеристскими снарядами. ММА относятся к сложным объектам микросистемой техники, представляющий собой неразделимый комплекс механической и электронной частей системы. Области применения акселерометров определяются их основными параметрами, а также их соотношением. Важнейшими параметрами акселерометра являются диапазон измерений ускорений, порог чувствительности, коэффициент преобразования, амплитудно-частотные характеристики, статические и динамические погрешности акселерометра.

ММА относятся к датчикам линейного ускорения низкого класса точности. В настоящее время, когда решены основные вопросы принципов построения, конструирования и технологии изготовления ММА, созданы экспериментальные образцы ММА [56, 57, 58, 65], освоен серийный выпуск ММА рядом зарубежных фирм [3, 90, 91, 95, 101] на первый план выступает проблема повышения метрологических и эксплуатационных характеристик приборов этого типа и создания ММА навигационного класса точности (статические погрешности - случайная составляющая нулевого сигнала (о) ~

0.0110 g , нестабильность масштабного коэффициента (а) ~ 0.1%). Решение

указанной проблемы наряду с мерами конструкторско-технологического и схемотехнического характера связано с проведением теоретических исследований динамики чувствительных элементов (ЧЭ) ММА, основанных на анализе системных связей и на строгом учете факторов, оказывающих влияние на технические характеристики приборов. При решении теоретических проблем динамики ЧЭ ММА применяются методы конечно-элементного анализа с использованием современных вычислительных систем и аналитические методы, основанные на использовании методов системного анализа и дифференциальных уравнениях движения ЧЭ. Методы конечно-элементного анализа используются в процессе проектирования ЧЭ ММА при расчетах и анализе собственных частот и форм колебаний, расчетах и анализе механических напряжений в элементах конструкций ЧЭ ММА при ударных и вибрационных воздействиях, анализе напряженно-деформированного состояния конструкции ЧЭ ММА при температурных воздействиях. Аналитические методы применяются при анализе взаимосвязей и взаимовлияния поступательных и угловых колебаний ЧЭ ММА, исследовании влияния на динамику и погрешности ММА нелинейной зависимости сил упругости от перемещений ЧЭ, оценке погрешностей ММА, вызванных внешними воздействующими факторами. Вместе с тем, основные теоретические результаты по исследованию динамики и погрешностей ММА получены на основании линеаризованных дифференциальных уравнений движения ЧЭ приборов этого типа [31, 33, 39, 71, 73, 75, 100].

Выявление влияния нелинейных факторов на динамику ЧЭ и точность ММА, анализ системных связей и особенностей функционирования системы в условиях применения на вибрирующих основаниях - актуальная фундаментальная проблема современного приборостроения и микросистемой техники. На этом основании тема диссертации, посвященной разработке ММА и исследованию влияния вибрации на динамику и точность микромеханических акселерометров, анализу взаимосвязей и взаимовлияния поступательных и угловых колебаний ЧЭ ММА, выявлению особенностей динамики и

исследованию погрешностей микромеханических акселерометров при функционировании в условиях вибраций является важной и актуальной.

Состояние практических разработок и теоретических исследований микромеханических акселерометров.

Датчики линейных ускорений - акселерометры, получили широкое

применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает большое число разновидностей акселерометров, имеющих различное конструктивное исполнение , диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены.

По технологии изготовления акселерометры делятся на три типа: пье-зопленочные, объемные и поверхностные.

Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения, например АСН-1 фирмы Atochem Sensors, выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезо-эффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут измерять постоянные ускорения и гравитационные силы. Основная область применения — системы управления надувными подушками безопасности.

Примером объемного датчика может служить NAC-201/3 компании Lucas NovaSensor [22], предназначенный для применения в системах управления надувными подушками безопасности автомобилей. Этот датчик состоит из двух пластин кремния, которые сплавлены друг с другом тремя тонкими кремниевыми балками. Инерционная масса соединена с кремниевой рамкой на пластине. Эта масса соединяется с кремниевой рамкой механически с одного края. Каждая из коротких внешних балок содержит пару имплантиро-

ванных пьезорезисторов, образующих полумост. Два полумоста соединяются в мостовую схему. Когда происходит столкновение автомобиля с препятствием, масса движется вниз, изгибая балки и вызывая деформацию пьезорезисторов. Таким образом, датчик и расположенная вне кристалла электронная схема обработки сигналов создают при работе выходной сигнал напряжением от 50 до 100 мВ полной шкалы, вызываемый деформацией пьезорезисторов.

Следующий пример реализации возможностей объемной микрообработки кремния [88] - разработка ГНЦ РФ ГУ НГЖ "Технологический центр" МИЭТ (Россия) двух типов балочных тензопреобразователей, конструкция которых показана на рисунке В. 1.

ТКВ-5

ТКБ-6

Размер кристалла (мм): ТКБ-5 - 2 х 7,5;

ТКБ-6-2 х Ш

Рисунок В.1 - Интегральные балочные преобразователи.

Преобразователи с двумя концентраторами напряжений используются, в основном, для изготовления датчиков силы. Принцип их действия иллюстрирует рисунок В.2.

Тензопреобразователь (ТКБ-6) жестко заделывается в параллелограмм-ное устройство, смещение оснований которого (в каждом расположена пара резисторов мостовой схемы) под воздействием внешней силы вызывает одинаковый по величине, но различный по знаку изгиб концентраторов напряжения балочного тензопреобразователя. При сохранении линейности преобразования такая конструкция обеспечивает приблизительно в 20 раз более

высокую чувствительность по сравнению с традиционной конструкцией датчиков силы на базе пленочных тензорезисторов. На основе этих преобразователей в ЗАО "ИЦНТ" (Зеленоград) разработаны и выпускаются электронные бытовые безмены, адгезиметры и другие приборы [99].

В настоящее время один из основных потребителей ТКБ-6 - Арзамасский приборостроительный завод. Кроме упомянутого, следует отметить проведенную в ЗАО "ИЦНТ" разработку датчиков силы для лабораторных весов. Впервые в мире на полупроводниковых датчиках получены значения нелинейности и гистерезиса менее 0,03 % при величине выходного сигнала 40 мВ[99].

Балочный тензопреобразователь ТКБ-5 использован для разработки серии акселерометров АВИ и МТА, созданных ГНЦ РФ ГУ НПК "Технологический центр" МИЭТ совместно со специалистами ЛИН им. Громова (г. Жуковский, Моск. обл.). Их конструкция и внешний вид показаны на рисунке В.З. Высокий показатель отношения поперечной чувствительности к основной (не более 3 %) достигнут благодаря оригинальной конструкции, защищенной патентами Российской Федерации[99].

Силовь- '------

О

Ограничители перемещения

Рисунок В.2 - Датчик силы на основе кремниевого балочного тензопреобразователя.

Рисунок В.З - Конструкция и внешний вид

акселерометров МТА.

Акселерометры традиционных конструкций (выполненные путем объемного травления емкостных ячеек, пьезоэлектрические, электромеханические) обеспечивают в среднем более высокую точность измерений, чем MEMS-датчики, но обладают столь значительной стоимостью, что их применение оправдано лишь в прецизионных измерительных комплексах и системах. В то же время опыт показывает, что совершенствование MEMS-технологии приводит к двукратному увеличению точности акселерометров за каждые полтора года без существенного роста их стоимости. Поэтому в ближайшие 5-10 лет следует ожидать появления MEMS-датчиков, способных успешно конкурировать с традиционными датчиками в области измерения ускорений [99].

Как отмечено в [90] одними из первых кто начал разрабатывать микромеханические акселерометры была фирма Draper Laboratory, которая создала MEMS-акселерометры двух типов:

- со смещением маятниковой или поддерживаемой упругим торсионным подвесом чувствительной массы при линейном ускорении, приводящим к изменениям в емкостном или пьезоэлектрическом датчике;

- с изменением частоты вибрирующего элемента, вызванным растяжением упругого элемента подвеса чувствительной массы вследствие нагруже-ния под действием линейного ускорения.

Акселерометры первого типа относятся к классу, маятниковых акселерометров, а вторые известны как резонансные акселерометры, или VBA (балочные вибрационные акселерометры) [90].

На рисунке В.4 показаны типовые схемы MEMS акселерометров, у которых подвижная маятниковая чувствительная масса, закрепленная на тор-сионах на стеклянном основании, перемещается под воздействием ускорения перпендикулярного планарной плоскости устройства. Движение чувствительной массы преобразуется в электрические сигналы с помощью изменения емкости между электродами на основании стеклянного изолятора. При ускорение в 1 g, изменение угла вращения чувствительной массы составляет - 70 мкрад.

Рисунок В.4 - Типовые схемы маятниковых MEMS акселерометров.

Другими примерами акселерометров являются разработки таких фирм, как, Draper Laboratory's, Honeywell, Applied MEMS Inc. Si-FlexiM, и многих других. Маятниковый акселерометр лаборатории Дрейпера был применен в управляемом боеприпасе увеличенной дальности (программа ERGM) и артиллерийском управляемом боеприпасе (программа CMATD). [99]

Наиболее известными акселерометрами с осевым смещением чувстви-

тельной массы являются акселерометры фирмы Analog Devices [88]. Среди разнообразных датчиков, выпускаемых фирмой Analog Devices, особое место занимают микромеханические датчики iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System). Более пятнадцати лет назад компания Analog Devices приступила к изготовлению электромеханических устройств на кристалле кремния с использованием данной технологии.

Первые образцы полностью интегрированных однокристальных датчиков ускорения (акселерометров) iMEMS были выпущены в 1991 г. Первоначально акселерометры iMEMS были разработаны специально для систем безопасности автомобилей, где применялись для детектирования столкновений и активации подушек безопасности; сегодня же эти акселерометры применяются в качестве инерциальных датчиков в различны областях.

Компания Analog Devices в 1991 г. освоила серийное производство полностью интегрированного монолитного одноосного акселерометра ADXL50, объединяющего в себе формирователь сигнала и схему автономного тестирования. Весь кристалл акселерометра размером 3,05x3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный сенсор ускорения размером 1x1 мм, расположенный в его центре. Сенсор представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого сформированы (вытравлены) из плоской поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне. Для формирования ЧЭ датчика была применена технология тонкослойного травления, получившая название iMEMS (Integrated Micro-Electro-Mechanical Systems). Нанесение тонкослойного поликристаллического кремния на оксидную подложку с ее последующим травлением совместимо с технологическими приемами, применяемыми в