Микромеханические датчики инерциальной информации.

Современное состояние разработок датчиков инерциальной информации определяется возрастающими потребностями в них в самых различных областях техники для решения задач контроля и управления подвижными объектами и их навигации. При этом наиболее массовым потребителем становится гражданская сфера; где быстрыми темпами растет применение этих датчиков в таких областях, как автомобилестроение, телекоммуникационная техника, робототехника, медицина, спорт и др. В последние десятилетия были созданы новые типы датчиков инерциальной информации, пригодные для крупносерийного и даже массового производства. Возможность крупносерийного производства в первую очередь определяется относительной простотой конструкций новых типов датчиков и применением прогрессивных технологий при их изготовлении.

Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений новых разработок датчиков инерциальной информации является направление микроэлектромеханических систем (МЭМС). В рамках технологий МЭМС разрабатываются микромеханические гироскопы (ММГ) и микромеханические акселерометры (ММА). Применяемые при производстве ММА, ММГ технологии современной твердотельной микроэлектроники, а также используемые материалы позволяют обеспечить малые габариты, вес и энергопотребление, высокую надежность и устойчивость к внешним воздействиям, низкую стоимость датчиков. Технологическая совместимость механической части датчика и сервисной электроники позволяют создавать практически в единых технологических процессах интегральные модули - чипы - гироскопы и акселерометры, а также сборки инерциальных элементов объемом 0, 5 - 10 см³ с потребляемой мощностью 0, 5 - 1 Вт. Выбор кремниевой технологии определяется возможностями микроэлектронной промышленности, а также уникальными свойствами кремния как конструкционного материала. Кремний, являясь дешевым и доступным материалом, обладает высокой механической прочностью (модуль Юнга ~ 10¹¹н/м²), у него практически отсутствуют гистерезис и пластические деформации, мал температурный коэффициент линейного расширения α _ТКР=2, 6´ 10^-6 1/°С, он отличается большой временной стабильностью параметров; этот материал может подвергаться длительным циклическим нагрузкам, не проявляя эффекта усталости и накопления внутренних напряжений. Благодаря низким внутренним потерям на трение в кремнии удается достичь добротности осциллятора порядка 10⁵.

В упругих подвесах ММГ и ММА в основном используются два типа механических структур и им соответствуют два типа технологических процессов обработки кремния - объемная (bulk-micromachined) и поверхностная (surface-micromachined). При использовании объемной обработки происходит удаление материала путем химического вытравливания в соответствии с кристаллографической структурой материала. В этом случае возможно изготовление структур с толщиной до нескольких сотен микрометров. В случае поверхностной обработки на планарной поверхности кремниевой пластины с использованием диффузии, фотолитографии и анизотропного травления формируется рельеф осциллятора. После операции анодного сращивания со стеклянной подложкой производится удаление «жертвенного» слоя кремния до вскрытия рельефа осцилляторов.

Микромеханические гироскопы

В настоящее время известно большое количество самых разнообразных конструктивных схем ММГ. Теоретические основы построения ММГ и ММА подробно изложены, например в [92, 93, 94]. Общим конструктивным признаком вибрационных микрогироскопов -датчиков угловой скорости является использование в них различных по конфигурации двухстепенных упругих подвесов чувствительного элемента (ЧЭ). Принцип работы ММГ заключается в создании относительно корпуса знакопеременного поступательного либо вращательного движения ЧЭ по одной из степеней свободы и измерении перемещений по другой степени свободы, возникающих под действием кориолисовых сил или гироскопических моментов при наличии переносной угловой скорости корпуса. На рис.5.29 показана реализация принципа на примере двухстепенного упругого подвеса с поступательными перемещениями ЧЭ. При наличии знакопеременной относительной линейной скорости V вдоль оси X и переносной угловой скорости Ω вокруг оси Z появляются знакопеременное ускорение Кориолиса W_K и соответствующая ему сила F_K вдоль оси Y. Амплитуда y перемещения ЧЭ вдоль оси Y при равенстве собственных частот по обеим степеням свободы для случая резонанса определяется следующим соотношением:

, (5.87)

где С – жесткость упругого подвеса; m – масса ЧЭ; Q – добротность подвеса. Эта амплитуда несет информацию об измеряемой угловой скорости Ω .

По принципу построения упругого подвеса все известные типы ММГ можно классифицировать в соответствии со схемой на рис.5.30. В зависимости от типа движения ЧЭ в подвесе ММГ можно разделить на три группы: ММГ RR-типа – с вращательным движением ЧЭ по обеим степеням свободы; ММГ RL-типа – с вращательным движением по одной степени свободы и с поступательным – по другой; ММГ LL-типа – с поступательными движениями по обеим степеням свободы.

В каждой из выделенных групп количество возможных вариантов схем ММГ может быть весьма велико. На схеме указаны наиболее известные и в той или иной степени реализованные варианты ММГ: ГМП – гироскоп с маятниковым подвесом; ГКП – гироскоп с карданным подвесом; ГК – гироскоп камертонный; ГСМ – гироскоп с сосредоточенной массой; ГРМ – гироскоп с распределенной массой. Рассмотрим кратко принципы построения и типовые конструктивные схемы ММГ.

Принципы построения и типовые конструктивные схемы ММГ.

ММГ RL-типа (гироскоп камертонный) . Конструкция ММГ камертонного типа, разработанная лабораторией Ч. Дрейпера, представлена на рис.5.31. В этом гироскопе вынужденное движение чувствительного элемента, обеспечиваемое вибрационным двигателем, является поступательным; другое движение, являющееся информационным – вращательное. Конструкция выполнена из монокристаллического кремния и представляет собой камертон, реализованный в виде двух инерционных масс 1, закрепленных с помощью упругих элементов 2 во внешней рамке 3. Рамка связана с основанием также через упругие элементы 4, обеспечивающие ей вращательное движение вокруг оси Z. С помощью электростатического вибрационного двигателя 5, выполненного в виде «гребенчатой» структуры (рис.5.32.), силами F_В возбуждаются противофазные поступательные колебания масс в плоскости рамки.

При наличии измеряемой угловой скорости основания Ω , вектор которой совпадает с осью вращения рамки, возникают силы Кориолиса F_К, создающие переменный момент сил, порождающий угловые колебания рамки вокруг оси Z с частотой, равной частоте колебаний, создаваемых двигателем. Амплитуда колебаний рамки является мерой измеряемой угловой скорости. Измерение колебаний рамки осуществляется с помощью емкостного датчика, электроды которого расположены на подложке под инерционными массами. Номинальная величина емкостей между электродами и инерционной массой ~ 1пФ. Характерный размер инерционной массы в плане ~ 1мм. Толщина подвеса с целью увеличения жесткости его конструкции и увеличения чувствительности ММГ доведена до 400мкм. Добротность подвеса по оси возбуждения – 40000, по измерительной оси – 5000 при уровне вакуума в подвесе – 100мТорр. Сравнительно меньшая величина добротности по оси измерения определяется малой величиной зазора между инерционными массами и подложкой, а также относительно большой величиной площади инерционных масс. Для снижения коэффициента демпфирования в разряженной газовой среде массы выполнены перфорированными. Полоса пропускания в режиме прямого измерения обеспечивается благодаря расстройке между собственными частотами колебаний масс и рамки. Одна из основных погрешностей ММГ – квадратурная, порождаемая вибрационным двигателем из-за неперпендикулярности оси возбуждения и измерительной оси.

ММГ RR-типа (гироскоп с кардановым подвесом). В конструкциях ММГ ГКП (рис.5.33), впервые разработанных также в лаборатории им. Ч. Дрейпера, реализован упругий карданов подвес ЧЭ 1. В первом варианте ММГ используется внешний двухрамочный карданный подвес ЧЭ₀. Вокруг оси внутренней рамки 2 с помощью электростатического вибрационного двигателя, реализованного в виде пары электродов 3, расположенных на диэлектрической подложке под внутренней рамкой, создаются угловые колебания ЧЭ и тем самым - кинетический момент Н ЧЭ по этой оси. При появлении угловой скорости ω _y₀, перпендикулярной плоскости механической структуры подвеса, возникает переменный гироскопический момент М _Г, приводящий к колебаниям внешней рамки 4 по углу β вокруг оси Z₀. Амплитуда этих колебаний пропорциональна измеряемой угловой скорости. Съем колебаний осуществляется с помощью емкостного датчика, пара электродов 5 которого расположена под внешней рамкой. Возможна работа этого ММГ в режиме обратной связи по моменту, когда гироскопический момент ММГ компенсируется моментом, развиваемым электростатическим датчиком момента.

На рис.5.34 представлен выполненный по подобной схеме один из вариантов конструкции ММГ.

В другом варианте ММГ используется внутренний упругий карданов подвес ЧЭ - дискового ротора 1 (рис.5.35.), совершающего с помощью вибрационного электростатического двигателя 2 с «гребенчатой» структурой под действием момента М_Вугловые колебания на собственной частоте вокруг оси возбуждения Z, перпендикулярной плоскости подложки.

При наличии измеряемой угловой скорости Ω возникает переменный гироскопический момент М_к, вызывающий колебания ротора вокруг оси, перпендикулярной плоскости, образованной вектором измеряемой угловой скорости и осью возбуждения. Съем информации производится по дифференциальной схеме с помощью емкостных датчиков перемещений C. Одну из обкладок емкостного датчика составляет ротор, а вторую – электрод в виде металлической пленки, напыленной на диэлектрическое основание. В ММГ может быть реализован компенсационный режим измерения с обратной связью по моменту с помощью электростатического датчика момента. На рис.5.35. показан еще один вариант конструкции ММГ с внутренним упругим карданным подвесом, разработанный в ЦНИИ «Электроприбор» [102].

Предыдущая 1 2 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая