6.2 Устройство и функционирование микромеханических гироскопов и акселерометров
Рассмотрим подробнее устройство и функционирование микромеханических гироскопов и акселерометров компаний ЗАО «ГИРООПТИКА» и Analog Devices. Рассматриваемые датчики выполнены по технологии MEMS, то есть представляют собой интеграцию:
микромеханических чувствительных элементов угловой скорости или ускорения,
электрической схемы первичной обработки информации, обеспечивающей управление, съем и предварительную обработку полезного сигнала микромеханического датчика.
Чувствительные элементы микромеханических гироскопов и акселерометров имеют различные конструктивные схемы с осями чувствительности, лежащими как в плоскости подвеса подвижной механической части, так и в плоскости перпендикулярной к ней. Данное обстоятельство позволяет сохранять плоскую форму электромеханической микросборки [17].
6.2.1 Микромеханические акселерометры ЗАО «ГИРООПТИКА»
На сегодняшний день компания ЗАО «ГИРООПТИКА» производит микромеханические акселерометры на основе чувствительных элементов маятникового и осевого типов (смотри рис. 6.1), соответственно.
|
Рис. 6.1. Чувствительные элементы маятникового и осевого типов
|
6.2.1.1 Микромеханический акселерометр маятникового типа
6.2.1.1.1 Конструкция
Конструктивная схема микромеханического акселерометра маятникового типа приведена на рис. 6.2, сейсмическая масса с опорным элементом и торсионами на рис. 6.3 [17].
|
Рис. 6.2. Конструктивная схема микромеханического акселерометра маятникового типа
|
23
6
33
Х
 
Z
Z
Y
Y
|
Рис. 6.3 Сейсмическая масса с опорным элементом и торсионами
|
|
Рис. 6.4. Пространственная модель сейсмической массы
|
Микромеханический акселерометр представляет собой капсулированный элемент, образованный корпусом 1, выполненным в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами 5 емкостного датчика угла и электростатического датчика момента и диэлектрической крышки 7. Крышка скреплена с корпусом 1.
Основой акселерометра является монокристаллический кремниевый элемент – маятник размерами 0,8х1,0х0,015 мм (так называемая сейсмическая масса 2). Сейсмическая массой 2 подвешена с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках – торсионах 3 за опорный элемент 6. Торсионы представляют собой устройство демпфирования сечением 12х15 мкм, которое позволяет сейсмической массе останавливаться при полном диапазоне колебаний, защищая устройство от механического удара. Сейсмическая масса, торсионы и опорный элемент выполнены в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия.
Внутрь корпуса закачивается газовая смесь, которая обеспечивает демпфирование собственных колебаний сейсмической массы 2. Крышка также выполняет функцию ограничителя перемещений сейсмической массы 2 при вибрационных и ударных воздействиях.
Напыленные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика моменты выполнены единым элементом и в совокупности представляют собой электронную схему обработки сигналов.
Для данного варианта конструкции ось чувствительности ортогональна плоскости чувствительного элемента. Маятник изготовлен вместе с упругими торсионами по технологии "кремний на стекле" (смотри рис. 6.4) [3].
6.2.1.1.2 Принцип функционирования
Рассматриваемое устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х сейсмическая масса 2 отклоняется от своего исходного состояния. При этом изменяются величины емкостей конденсатора, образованного неподвижными электродами 5 и сейсмической массой 2. Съем информации производится с помощью емкостного датчика перемещений. Сигнал отклонения преобразуется электронной схемой и приводит к возникновению электростатического момента, стремящегося возвратить сейсмическую массу 2 в исходное состояние. В установившемся состоянии сигнал с выхода электронной схемы является выходным сигналом микромеханического акселерометра.
График зависимости перемещения чувствительного элемента маятникового типа от преобразуемого им линейного ускорения приведен на рисунке 6.5 [3].
|
Рис. 6.5. График зависимости перемещения сейсмической массы акселерометра маятникового типа от воздействия линейного ускорения
|
6.2.1.2 Микромеханический акселерометр осевого типа
6.2.1.2.1 Конструкция
Конструктивная схема микромеханического акселерометра осевого типа близка к конструктивной схеме акселерометра маятникового типа. Микромеханический акселерометр также является капсулированным элементом (капсула образована корпусом и крышкой), заполненным газовой смесью. При этом обеспечивается демпфирование собственных колебаний сейсмической массы и повышается надежность работы устройства, так как крышка служит ограничителем перемещений инерционной массы при ударных и вибрационных воздействиях.
Конструктивная схема чувствительного элемента осевого типа, представлена на рисунке 6.6. Пространственная модель представлены на рисунках 6.7. Чувствительный элемент, представленный на иллюстрации, относится к типу акселерометров с поступательным перемещением чувствительной массы. Он представляет собой пластину, изготовленную из монокристаллического кремния – сейсмическая масса 1, толщиной 15 мкм и размерами в плоскости подвеса 0,5х1,0 мм, расположенную с зазорами относительно корпуса 6, подвешенную к нему на четырех упругих торсионах 2. В результате образуется упругий подвес, обеспечивающий перемещение сейсмической массы вдоль оси, лежащей в плоскости сейсмической массы. Съем информации производится по дифференциальной схеме с помощью гребенчатого емкостного датчика перемещений 4. Ширина зубцов емкостного датчика перемещений данной конструкции составляет 10 мкм, длина – 70 мкм, величина зазора между подвижными и неподвижными зубцами датчика – 10 мкм. Длина зубцов электростатического датчика силы – 300 мкм, ширина – 10 мкм, зазоры между подвижными и неподвижными зубцами датчика 30 и 10 мкм.
Датчик силы представляет собой гребенчатый электростатический датчик 5.
Х
5
Х
4
6
|
Рис. 6.6. Конструктивная схема чувствительного элемента осевого типа
|
|
Рис. 6.7. Пространственная геометрическая модель чувствительного элемента осевого типа
|
6.2.1.2.2 Принцип функционирования
Рассматриваемое устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х сейсмическая масса 1 отклоняется от своего исходного состояния. Сигнал, снимаемый с датчика перемещений 4, приводит к возникновению электростатических сил, стремящихся возвратить сейсмическую массу 1 в установившееся положение. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на сейсмическую массу, уравновешивается электростатическими силами гребенчатого датчика силы 5 [17].
График зависимости перемещения сейсмической массы ЧУС осевого типа от амплитуды воздействующего линейного ускорения приведен на рисунке 6.8 [3].
|
Рис. 6.8. График зависимости перемещения сейсмической массы ЧУС осевого типа от амплитуды воздействующего ускорения линейного
|
6.2.2 Микромеханические ДУСы ЗАО «ГИРООПТИКА»
В ЗАО "ГИРООПТИКА" разработаны датчики угловых скоростей на базе чувствительных элементов роторного и поступательного типов (смотри рис. 6.9).
Принцип действия чувствительного элемента угловой скорости основан на измерении параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции. Эффект, учитываемый кориолисовыми силами, состоит в том, что во вращающейся системе отсчёта материальная точка, движущаяся не параллельно оси этого вращения, отклоняется по направлению, перпендикулярному к её относительной скорости, или оказывает давление на тело, препятствующее такому отклонению.
Одной из основных особенностей элементов является использование при их производстве материалов и технологий современной твердотельной электроники. Электромеханические узлы формируются из неметаллического материала - монокристаллического кремния методами фотолитографии, анизотропного травления, диффузионной сварки. Важным отличием от стандартных полупроводниковых элементов является то, что элементы представляют собой трехмерные структуры. Это обусловлено такими особенностями конструкции прибора, как наличие подвижной механической части - осциллятора, необходимость обеспечения заданных геометрических, массовых и упругих характеристик. Механическая часть изготавливается вместе с элементами возбуждения колебаний, датчиками съема и преобразования полезного сигнала, элементами формирования обратных связей. Положительная особенность состоит в миниатюризации чувствительного элемента, обеспечивающей уникальное снижение массогабаритных характеристик. Миниатюризация чувствительных элементов приводит к тому, что вследствие малой массы и размеров вибрирующие конструктивные элементы имеют высокую частоту собственных колебаний (единицы и десятки килогерц). При этом амплитуды колебаний весьма малы и могут составлять несколько микрометров. Для того, чтобы обеспечить достаточную точность преобразования в конструкциях осцилляторов используются материалы с малыми внутренними потерями и обеспечивается резонансная настройка осцилляторов.
|
Рис. 6.9. Конструктивные схемы микромеханических чувствительных элементов угловой скорости
|
6.2.2.1 Микромеханический гироскоп роторного типа
6.2.2.1.1 Конструкция, принцип функционирования
Вибрирующим элементом микромеханического гироскопа роторного типа (осциллятором) является вращающийся ротор.
Механическая часть микрогироскопа представляет собой ротор диаметром 1,5 мм и толщиной 15 мкм, закрепленный на торсионах. Элементы датчиков задающего момента и съема полезного сигнала, формирования обратной связи изготавливаются с использованием арсенала средств современной твердотельной микроэлектроники по объемной технологии "кремний на стекле", адаптированной к изделиям микромеханики. Возбуждение колебаний ротора производится гребенчатым электростатическим виброприводом. Измерительная ось роторного микрогироскопа расположена в плоскости подвеса ротора. Съем информации производится по дифференциальной схеме с помощью емкостных датчиков перемещений. Одну из обкладок емкостного датчика составляет ротор, а вторую - металлический слой, напыленный на стеклянное изолирующее основание. В системе обратной связи применены электростатические датчики силы [17].
6.2.2.2 Микромеханический гироскоп поступательного типа
6.2.2.2.1 Конструкция
Конструкция микромеханического гироскопа поступательного типа состоит из:
корпуса (кремниевой платы 1),
крышки 3, выполненной из диэлектрического материала и скрепленной с корпусом 1 микромеханического гироскопа.
токоподводы 4, размещенные внутри платы 1,
чувствительного элемента 2 – сейсмической массы (осциллятора).
Микромеханический гироскоп (смотри рис. 6.10) изготовлен в виде капсулы. Размещение токоподводов 4 внутри платы 1 позволяет укоротить выводы от чувствительного элемента 2 и тем самым уменьшить паразитные емкости, что в конечном итоге позволяет повысить точность и надежность микромеханического гироскопа. Крышка 3 выполняет также функцию ограничителя перемещений инерционной массы 2 при вибрациях и ударах [17].
|
Рис. 6.10 Микромеханический гироскоп
|
На корпусе закрепленны неподвижные электроды гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений, сейсмичекая масса 2, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки 8, обеспечивающие перемещения массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии сейсмической массы и лежащих в ее плоскости, токоподводы, генератор и электронную схему обработки сигналов. Сейсмическая масса выполнена в форме квадрата, а упругие перемычки образуют внутренний, промежуточный и наружный подвесы.
Конструктивная схема чувствительного элемента представлена на рисунке 6.11. Пространственная геометрическая модель представлена на рисунке 6.12. Съем сигналов производится по дифференциальной схеме с помощью гребенчатого емкостного датчика перемещений. В системе обратной связи используется электростатический гребенчатый датчик силы. Встроенный датчик температуры позволяет в случае необходимости производить алгоритмическую компенсацию температурных погрешностей.
|
1 - сейсмичекая масса;
2 - датчик силы;
3 - неподвижные элементы датчика силы;
4 - подвижные элементы датчика силы;
5 - датчик перемещения;
6 - неподвижные элементы датчика перемещений;
7 - подвижные элементы датчика перемещений;
8 -торсионы.
Рис. 6.11. Конструктивная схема ЧСК(У)
|
|
Рис. 6.12. Пространственная геометрическая модель ЧСК(У)
|
6.2.2.2.2 Принцип функционирования
Описываемое устройство работает следующим образом. При включенном питании под воздействием электростатических сил в зазорах датчика силы на частоте генератора сейсмическая масса 2 совершает возвратно-поступательные движения вдоль оси Х-Х. При вращении корпуса 1 с угловой скоростью  вокруг оси чувствительности Z-Z, перпендикулярной плоскости инерционной массы 2, возникают кориолисовы силы инерции, приложенные к сейсмической массе 2. Под действием этих сил масса 2 совершает вдоль оси Y-Y колебания, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости . Сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, снимается с датчика перемещений, а затем преобразуется электронной схемой обработки сигналов.
Таким образом, может быть осуществлено измерение угловой скорости движения корпуса 1 вокруг оси Z-Z.
Выходная характеристика датчика приведена на рисунке 6.13 [3].
Аy, м
, град/с
|
Рис. 6.13. Выходная характеристика чувствительного элемента гироскопа
|
6.2.3 Микромеханический гироскоп ADXRS фирмы Analog Devices
Датчик угловой скорости - гироскоп ADXRS представляет собой интегральную микросхему (смотри рис. 6.14). Он выполнен на одном кристалле кремния и включает в себя все необходимые электронные схемы формирования сигнала [14].
|
Рис. 6.14. Внешний вид кристалла гироскопа при большом увеличении
|
Две микромеханические структуры из поликристаллического кремния снабжены специальными возбуждающими рамками, которые с помощью электрического сигнала приводятся в резонанс. Колебания микромеханических элементов имеют достаточно высокую частоту и амплитуду, чтобы при угловом вращении прибора сила Кориолиса, действующая на эти элементы, достигала заметной величины. По краям каждой колеблющейся рамки, перпендикулярно направлению колебаний, расположены подвижные зубцы, которые чередуются с неподвижными зубцами (фиксированными на кремниевую подложку), таким образом, образуется структура, емкость которой меняется в соответствии с величиной силы Кориолиса [14].
Полученный с емкостного датчика высокочастотный сигнал поступает на каскады усиления и демодуляции, в итоге на выходе микросхемы мы получаем сигнал напряжения, пропорциональный угловой скорости (смотри рис. 6.15). Максимальная детектируемая скорость вращения (т.е. динамический диапазон датчика угловой скорости) составляет у гироскопов ADXRS150 и ADXRS300 соответственно 150°/с и 300°/с (отмечено звездочкой на рисунке). Существует возможность изменить динамический диапазон гироскопа в сторону увеличения или уменьшения, в зависимости от требований задачи.
Наличие внутри микросхемы двух перпендикулярно расположенных однотипных датчиков позволяет избежать влияния на выходной сигнал гироскопа вибрации и ускорения. Схемы формирования сигнала, расположенные на этом же кристалле (смотри рис. 6.16), позволяют сохранить качество сигнала в условиях "шумного" окружения (электромагнитных помех, шумов цифровых схем и т.д.).
|
Рис. 6.15. Сигнал угловой скорости на выходе гироскопа iMEMS
|
Для схемы возбуждения чувствительных элементов требуется напряжение питания 14—16 В. Так как на микросхему подается напряжение 5 В, для получения более высокого напряжения питания на кристалле имеется схема "зарядового насоса" с переключаемыми конденсаторами. Если имеется внешнее напряжение питания величиной 14-16 В, то можно использовать его, и при этом избавиться от необходимости подключения нескольких дополнительных внешних конденсаторов.
|
Рис. 6.16. Структурная схема гироскопа iMEMS с внешними элементами
|
Данный прибор представляет собой доступный гироскоп, имеющий встроенную схему автотестирования с цифровым управлением, которая работает при активном датчике. В составе микросхемы присутствует датчик температуры для осуществления калибровки устройства и компенсации погрешности, вызванной изменением температуры, также на кристалле имеется источник опорного напряжения [14].
6.2.4 Погрешности рассматриваемых датчиков, проблематика отрасли
Погрешности микромеханических акселерометров и гироскопов делятся на случайные и систематические. Случайные погрешности вызываются, в основном, электронными компонентами, входящими в состав электрической части. Они объясняются нестабильностью напряжения питания, дрейфами и шумами усилителей и других электронных элементов, тепловыми и механическими воздействиями. Оценка случайных погрешностей датчиков производится экспериментально по результатам лабораторно-стендовых измерений. Систематические погрешности в основном вызываются технологическими факторами и температурными возмущениями в условиях установившихся тепловых процессов в конструкциях чувствительных элементов.
Технологические погрешности приводят к неидеальности выполнения конструкции датчика: невертикальностью стенок вытравленных участков, неточностью выполнения геометрических размеров элементов конструкции, напряжениям, возникающим в узлах конструкции чувствительных элементов. Современный уровень технологии микромеханики позволяет обеспечить вертикальность стенок вытравленных участков с погрешностью до 1÷3 град, а точность выполнения геометрических размеров – до десятых долей микрометра.
Температурные погрешности чувствительных элементов вызываются изменением абсолютной температуры и градиентом температур в составе акселерометров и ДУСов. Основное влияние оказывает изменение абсолютной температуры. Изменение абсолютной температуры датчика приводит к температурным разбалансировкам, изменению жесткости упругих элементов подвеса и напряженно-деформированному состоянию подвеса, изменению собственных частот и нарушению условий резонансной настройки. В таблицах 6.3 и 6.4 представлены значения перемещения чувствительных элементов маятникового типа в зависимости от температуры при заданном линейном ускорении и результаты расчетов нелинейности масштабного коэффициента чувствительных элементов маятникового типа.
Таблица 6.3 Значение выходного сигнала ЧУС маятникового типа в зависимости от температуры
|
Линейное ускорение
50 g
|
Значение
Температуры, °С
|
Т = -60
|
Т = -20
|
Т = +20
|
Т = +60
|
Т = +70
|
Значение
перемещения сейсмической массы ЧУС, мкм
|
3,329
|
3,335
|
3,338
|
3,348
|
3,349
|
Таблица 6.4 Значения нелинейности масштабного коэффициента ЧУС маятникового типа
Т, °С
|
Мт,
мкм/g
|
Среднее значение
<�М>,
мкм/g
|
Нелинейность масштабного
коэффициента,
%
|
М*,
Мкм/g
|
Среднее значение
<�М*>,
мкм/g
|
Нелинейность масштабного
коэффициента,
%
|
-60
|
0,06658
|
0,066796
|
-0,323
|
0,066826
|
0,066814
|
0,0175
|
-20
|
0,0667
|
-0,143
|
0,066823
|
0,0129
|
+20
|
0,06676
|
-0,054
|
0,06676
|
-0,0815
|
+60
|
0,06696
|
0,245
|
0,066837
|
0,0336
|
+70
|
0,06698
|
0,275
|
0,066826
|
0,0175
|
Для снижения величины нелинейности масштабного коэффициента применяется алгоритмический метод термокомпенсация, который позволяет скомпенсировать нелинейность масштабного коэффициента чувствительного элемента маятникового типа до величины, не превосходящей 0,0815 % от начального значения 0,323 %.
В современных условиях, когда решены основные вопросы принципов построения, конструирования и технологии изготовления микромеханических преобразователей, инерциальных модулей и БИНС на их основе, на первый план выступает проблема повышения точности преобразователей и создание приборов навигационного класса точности. Решение указанной проблемы в значительной степени использует методы, традиционно применяемые при разработках новых типов гироскопов и акселерометров. Вместе с тем, учет факторов масштабирования, использование планарных конструктивных схем и групповых микроэлектронных технологий изготовления чувствительных элементов, расширение областей применения микромеханических систем выдвигают новые проблемы конструкторско-технологического характера.
К ним относятся: выбор расчетных схем и расчетных моделей, наиболее полно учитывающих факторы, влияющие на технические характеристики микромеханических систем, оптимизация параметров конструкций, обеспечивающих требуемые динамические характеристики чувствительных элементов; подбор и создание материалов с необходимыми физико-механическими характеристиками; поиск способов уменьшения влияния напряженно-деформированного состояния конструкций, технологических, температурных и иных факторов на точность и стабильность характеристик микромеханических систем; выбор электронных элементов с минимальным уровнем собственных шумов и др. Решение указанных проблем приведет к повышению достигнутых технических характеристик микромеханических изделий и расширению сферы применения систем стабилизации, ориентации и навигации на их основе [3].
Заключение
В работе рассматриваются устройства и принципы функционирования датчиков системы навигации современных летательных аппаратов:
кремниевых датчиков давления,
микромеханических ДУСов,
микромеханических акселерометров.
Описаны тенденции развития СУ современных БЛА и наиболее перспективные технологии, используемые при их проектировании. Делается обзор предприятий-изготовителей рассмотренных устройств.
Представленный материал призван обновить читаемый на кафедре курс лекций «Элементы систем управления»
Список литературы
Проблемы создания корректируемых и управляемых авиационных бомб / Под ред. Е. С. Шахиджанова. М.: НИЦ «Инженер», 2003. 527 с.
Dan Coskren, Tim Easterly, and Robert Polutchko, Draper Laboratory. Low-Cost GPS/INS Guidance for Navy Munitions Launches // GPS World, September 2005.
Разработка микромеханической инерциальной навигационной системы с функциями начальной выставки в обеспечение создания высокоточного оружия и управляемых средств поражения, в том числе артиллерийских управляемых боеприпасов. С-П.: ЗАО "ГИРООПТИКА", 2006. 461 с.
Развитие направления миниатюрных беспилотных летательных аппаратов за рубежом В.А. Попов, Д.В. Федутинов ФГУП «ГосНИИАС».
Пятышев Е.Н. Микросистемы в аэрокосмической технике //Материалы V научно-технической конференции INTERMATIC-2006.
Микромеханические датчики и системы, практические результаты и перспективы развития // Попова И.В., Лестев А.М., Семенов А.А., Пятышев Е.Н., Лурье М.С., Иванов В.А., Шабров А.А. // ХII С.-Пб Международная конференция по интегрированным навигационным системам. С.-Пб., 2005, с. 262-267.
Стандартизация компонентов и изделий микросистемной техники. Разработка номенклатурного ряда микроэлектромеханических преобразователей физических величин. Коломенская Н.Г., к.э.н, Попова И.В., д.н., Машевич П.Р., к.т.н. ОАО “РНИИ “Электронстандарт”, ЗАО “ГИРООПТИКА”, г. Санкт-Петербург, ОАО “Ангстрем”, г. Москва.
Борзенко А. Технология MEMS.
Инструкция по самолетовождению. Высота полета. Устройство и применение высотомеров. Аэроклуб «ОКБ Сухого».
АКСЕЛЕВИЧ В.И. Методическая разработка по проведению группового занятия по учебной дисциплине «Авиационная метеорология». С-П.: Российский Государственный Гидрометеорологический Институт, 2006.
Шумков А. Применение датчиков давления в системах навигации // Chip News, #8 (91), 2004.
Маргелов А. Полупроводниковые датчики давления Motorola // Электроника, ноябрь, 2003.
Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации //Гироскопия и навигация, 1996, № 1, стр. 48.
Власенко А. Интегральные гироскопы iMEMS – датчики угловой скорости фирмы Analog Devices.
Мартыненко Ю.Г. Тенденции развития современной гироскопии //Соросовский образовательный журнал, 1997, № 11.
Мартыненко Ю.Г. Инерциальная навигация //Соросовский образовательный журнал, 1998, № 8.
Конструкции микромеханических гироскопов и акселерометров инерциального модуля. Отчет о патентных исследованиях. С-П.: ЗАО "ГИРООПТИКА", 2005. 73 с.
|
