Исследование и разработка методов расширения рабочего диапазона и улучшения характеристик микромеханических датчиков угловой скорости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Тимошенков, Алексей Сергеевич

• Тимошенков, Алексей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тимошенков, Алексей Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 Анализ конструкций преобразователей угловой скорости.

1.1 Особенности конструкций чувствительных элементов микромеханических датчиков угловой скорости.

1.2 Анализ микромеханических датчиков угловой скорости.

1.3 Постановка задач диссертационной работы.

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

2.1 Математическая модель выходного сигнала ДУС.

2.2Метод определения случайных погрешностей ДУС при помощи вариации Аллана.

2.3 Аппаратно - программный комплекс для исследования характеристик ДУС.

Выводы по второй главе.

3. Исследование различных конструкций чувствительного элемента ДУС.

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

3.2 Расчет параметров ЧЭ LL и RR типов.

3.4 ЧЭ с распределёнными параметрами.

3.5 Расчет геометрических параметров ЧЭ ДУС кольцевого типа.

3.6.Конструкция ЧЭ ДУС кольцевого типа.

3.7 Сравнение параметров изготовленных ЧЭ ДУС.

Выводы по главе 3.

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

4.1 Обработка сигнала чувствительного элемента кольцевого типа.

4.1.1 Общие принципы формирование выходного сигнала преобразователя угловой скорости кольцевого типа.

4.1.2. Схема колебания КМГ с контуром подавления.

4.1.3 Схема колебания ЧЭ КМГ с двумя симметричными автоколебательными контурами.

4.1.4. Исследование и анализ различий автоколебательной симметричной схемы от схемы контуром подавления.

Выводы по главе 4.

5. Анализ характеристик разработанных ДУС.

5.1 Анализ характеристик ДУС при реализации гиротахометра.

5.2 Анализ характеристик ДУС при реализации датчика крена быстровращающегося объекта.

Выводы по пятой главе:.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов расширения рабочего диапазона и улучшения характеристик микромеханических датчиков угловой скорости»

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Тимошенков, Алексей Сергеевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате выполнения работы были получены следующие основные результаты:

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

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

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

4. Разработаны и изготовлены ДУС новой конструкции, обладающие расширенным диапазоном измерения (до 10000 7с) и полосой пропускания (до 100 Гц).

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тимошенков, Алексей Сергеевич, 2012 год

1. Мир электроники. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам // Сборник статей под редакцией П.П. Мальцева. Москва. Техносфера. 2005. 592 с.

2. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам. Сборник статей под редакцией д.т.н., профессора П.П. Мальцева. Москва:1. Техносфера, 2005. 592 с.

3. Мокров, Е. А. Интегральные датчики. Состояние разработок и производство. Направления развития, объёмы рынка // Датчики и системы. -2000. -№ 1,-С. 28-30.

4. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение, М.:

5. Техносфера, 2004, с.265 с.

6. Мальцев П. Перспективы разработки микросистемной техники в

7. России//Микросистемная техника, №8, 2002. С. 7-11

8. Джексон Р.Г. Новейшие датчики // Перевод с английского под ред. Лучинина В.В. Москва. Техносфера. 2005. 384 с.

9. Микроэлектромеханические системы. Учебное пособие под редакцией С.П. Тимошенкова. М.:МИЭТ. 2009. 52 с.

10. Компоненты и технологии Сысоева С. Три уровня автомобильных сенсорных инноваций: макро, микро и нано //Компоненты и технологии. 2010. № 1.

11. Сысоева С. МЭМС-технологии. Простое и доступное решение сложных системных задач//ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2009. - №7. С.80-89.11 http://www.st.com/stonline/domains/support/epresentations/memsgyroscopes/ gyros.htm

12. Урманов Д.М. «Русская Ассоциация МЭМС» шаг вперед на пути развития МЭМС-технологий в России. //Датчики и системы. - 2010. - № 10. С.73-75

13. Мальцев П.П., Чаплыгин Ю.А., Тимошенков С.П. Перспективы развития технологии кремний на - изоляторе // Электроника. № 5. 1998. С. 5-10.

14. Сысоева С. Автомобильные гироскопы II Компоненты и технологии. 2007. № 1.

15. Burg A., Meruani A., Sandheinrich Â., Wickmann M. MEM S Gyroscopes and their Applications, cl if ton. mech. north weste rn.edu/- me381 /project/don e/Gy roscope.pdf

16. Geen J., Krakauer D. New iMEMS® Angular-Rate- Sensing Gyroscope., AD1 Micromachined Products Division, w ww.analog.c om/library/analogDialogue/ archives/37-03/gyro.ht ml

17. Пат. 2083989 Российская Федерация, МПК G01P15/09. Акселерометр /Баженов В.И., Мухин А.Н., Рязанов В.А., Соловьев В.М.; заявитель и патентообладатель Баженов Владимир Ильич. №94036196/28; заявл.28.09.1994; опубл. 10.07.1997.

18. Watson W. S. Improved Vibratory Gyro Pick off and Driver Geometry. Watson Industries, Inc. Symposium Gyro Technology. Stuttgart, Germany. Sept. 19, 1 2006. www.watson-gyro.com/files/ gy rotechnology jreporLpdf

19. Weinberg L Analog Devices. MEMS Inertial Sensors Move Beyond Airbags. Auto Electronics, Oct/ 2004.

20. Shkel A. M. Type I and Type II Micromachined Vibrator)' Gyroscopes. — Mechanical & Aerospace Engineering, University of California, Irvine.w ww.oxide.eng.uci.e du/publications/ IEEEPLANS2006AndreiShkel.pdf

21. Micromachined gyros. US Patent 6,122,961. îïoàë. Sept. 26,2000. (Geen, Analog Devices, Inc.)

22. Нефедов A.K. Многофункциональный микропроцессорный преобразователь для датчиков линейных перемещений // Датчики и системы. -2001,-№4.-С. 8-9.

23. Былинкин С.Ф., Вавилов В.Д., Вавилов И.В., Китаев И.В. Разработка и исследование микросистемных акселерометров //Микро- и наносистемная техника. -2003. -№6. С. 2-5.

24. Будкин B.JI., Паршин В.А., Прозоров C.B., Саломатин А.К., Соловьев В.М. Инерциальные датчики для системы навигации и ориентации //Микро- и наносистемная техника. 2000. -№2. - С. 31-36.

25. Паршин В.А., Саломатин А.К. Соловьев В.М., Харитонов В.И. Некоторые вопросы технологии изготовления кремниевых акселерометров //Микро- и наносистемная техника. 2001. -№5. - С.3-5.

26. Мокров, E.A. Датчики и преобразующая аппаратура. НИИ Физических измерений для авиационно-космической техники и других отраслей народного хозяйства // Электронные компоненты. — 2003.-№2.-С. 35 -39.

27. Вавилов, В.Д. Интегральные датчики: учебник / В.Д. Вавилов; НГТУ. -Н. Новгород, 2003. №1 с333-344.

28. Козин С. А., Федулов А. В., Акимов И. Г., Пауткин В. Е. Создание полупроводниковых интегральных датчиков механических параметров на основе технологии МЭМС // Датчики и системы. 2005. - №9. С.48-51.

29. Micromachined gyros. US Patent 6305,511. Í'íóáe. Jan. 14,2003 (Geen, Analog Devices, Inc.)

30. Micromachined gyroscope. US Patent 6,877,374. Ííóáe. April 12,2005. (Geen, Analog Devices, Inc.)

31. Six degree-of-freedom micro machined multi- sensor. US Patent 6,848,304. Feb. 1,2005 (Geen, Analog Devices, Inc.).

32. Тимошенков С.П., Зотов C.A., Калугин B.B. Разработка и изготовление чувствительных элементов микроэлектромеханических систем // Известия вузов. Электроника. 2005. - №4-5. С. 125-129.

33. Гридчин В.А., Драгунов В.П. Физика микросистем. Учебное пособие. В 2ч.Ч.1. Новосибирск: НГТУ, 2004.-416 с.

34. Мокров Е. В., Лебедев Д. В. Выбор конструкционных материалов-для упругих чувствительных элементов емкостных датчиков давления //Датчики и системы. 2001. - №7 - С. 19 - 20.

35. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие. Тул.Гос.университет. Тула, 2002. 392с.

36. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.

37. Tong Q.-Y., Gosel М. Wafer bonding and layer splitting for microsystems //Adv. Mater. No. 17. 11. 1999. P. 1409-1425.

38. Петрова B.3., Погалов А.И., Тимошенков С.П. Оптимизация параметров многослойных структур микросенсоров//Изв.вузов Электроника №3 1999, с. 41-44.

39. Богданович Б.Ю., Графутин В.И.,.Залужный А.Г, Калугин В.В., Нестерович А.В., Прокопьев Е.П., Суворов А.Л., Тимошенков С.П., Чаплыгин Ю.А. Технологии и методы исследования структур кремний на изоляторе. М.: МИЭТ, 2003 - 288 с.

40. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.:Наука. 1986. - 512 с.

41. Рекач В.Г. Руководство к решению задач по теории упругости. Учебн.пособие для ВУЗов. М. «Высшая школа», 1977 - 216 с.

42. Интернет издание www.kaajakari.net

43. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления/СПб., Издательство «Профессия», 2004. 752 с.

44. Интернет издание www.ansys.com

45. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферова М.А. ANS YS в руках инженера: Практическое руководство. М.:Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.

46. Анчутин С.А., Плеханов В.Е., Тимошенков С.П. Введение в конечно-элементный анализ. Использование ANSYS в задачах математической физики: Уч.пособие. М.МИЭТ, 2007,- 280 с.

47. Мазин В.Д. Методы расчетной оценки погрешностей датчиков //Датчики и системы. 2001. - №2. С.2-5.

48. Вавилов В.Д. Интегральные датчики: учебник/ В.Д. Вавилов; НГТУ. Н. Новгород, 2003. - 503 с.

49. Вавилов В.Д, Вавилов И.В. Разработка микросистемного ДУС с резонирующим кольцом// Микроэлектромеханические системы. Н. Новгород, 2010 г. 333 с.

50. Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. — М.: Физматлит, 2006.— 816 с.

51. Мельников A.A. Расчет электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов. Учебное пособие. /М.ТОУ ВПО «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)», 2001. 76 с.

52. Зотов С. А. Расчет формы деформируемой балки микромеханического акселерометра. // Известия Тул. госуд. университета сер. Проблемы специального машиностроения. Выпуск 4 (4.2). Тула 2001. - С. 154-157.

53. Lawrence, С. Ng., On The Application of Allan Variance Method for Ring Laser Gyro Performance Characterization. USA : Lawrence Livermore National Laboratory, 1993, 25 p.

54. Нечепаев В.Г., Пустовой A.A. МЕТОДИКА ПРОЧНОСТНОГО АНАЛИЗА КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ Машинознавство. Матер1али 9-oi регюнальноГ научно-методично!' конференци. -Донецьк: ДонНТУ, 2007.-C.52-56

55. Пат. 2324917, Российская Федерация, МПК G01N3/20. Способ измерения жесткости упругого подвеса ЧЭ микромеханического датчика / Плеханов В.Е., Анчутин С.А., Зотов С.А. и др.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО

56. Московский институт электронной техники (технический университет)» (МИЭТ), ООО «Лаборатория микросистем» №2006142588/28; заявл. 04.02.2006; опубл. 20.05.2008.

57. Брихта М. (перевод Власенко А.) Преобразование емкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора // Компоненты и технологии. 2006. №1.

58. Шахнович И. Сигма-дельта АЦП //Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2006. №4. - с. 18-22.

59. Интернет издание www.analog.com

60. Анчутин С.А., Морозова Е.С., Головань A.C., Шилов В.Ф. Инклинометр микромеханический двухосевой (ИМД-90). //Датчики и системы. 2011, №2, с.48-50.

61. Чалых А.Е. В кн.: Физико-химические методы исследования полимеров. М., Знание, 1975, № 8, с. 30.

62. Robinson R. -Proc. Roy. Soc., 1950, A, v. 204, № 1, p. 339, 549.

63. Тимошенков С.П., Зотов С.А., Калугин В.В., Балычев В.Н., Морозова Е.А. Высокоточный метод контроля номинальных значений емкостей МЭМС // Тезисы докладов 5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2006». 2006. Москва. С. 204.

64. Тимошенков С.П., Бойко А.Н., Калугин В.В. Особенности герметизации микромеханических приборов // Оборонный комплекс научно-техническому прогрессу России. 2005. - №1. С. 24-28.

65. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З Физические величины: Справочник. 1991. -1231с.

66. Интернет издание www.us.scbott.com

67. Q.-Y.Tong, U.Gosele Semiconductor Wafer Bonding. 1999. 297 с.84 1ЕЕУ Std 528, IEEE Standard for Inertial sensor terminology. 2001. 27 p.

68. Lawrence, C. Ng., On The Application of Allan Variance Method for Ring Laser Gyro Performance Characterization. USA : Lawrence Livermore National Laboratory, 1993, 25 p.

69. Катомин H.H. Испытания гироскопов и акселерометров. Учебное пособие. М.:МАТИ, 1993. - 94 с.87 1ЕЕУ Std 1554™, IEEE Recommended Practice for Inertial Sensor Test Equipment, Instrumentation, Data Acquisition, and Analysis- 2005. 103 p.

70. Зотов C.A., Анчутин С.А., Морозова E.C. Принцип испытаний микромеханических акселерометров серии АРК //Сб.трудов под редакцией проф. Тимошенкова С.П. -М.:МИЭТ, 2007. С. 106-111.

71. Морозова Е.С, Головань А.С. Разработка стендов контроля параметров микромеханических акселерометров. //Конференция «Микроэлектроника и информатика-2009». М.: МИЭТ, 2009, С. 113.

72. Интернет издание www.acutronic.ru

73. Technical Manuals for the AC1120S Single Axis Rate Table//Acutronic Switzerland Ltd. 2007. - 107 p.

74. Instruction Manuals IM-70008 for the AC1120S-V1.0 Single Axis Rate Table//Acutronic Switzerland Ltd. 2006. - 72 p.

75. User's Manual. Compact Ultra Low Temperature Chamber // Espec CORP. -2005. -91 p.

76. User's Manual. Communication Function // Espec CORP. 2006. -62 p.

77. Таблицы физических величин: Справочник /Под ред. И.К.Кикоина. -М.:Атомиздат, 1976. 1008 с.

78. Руководство по эксплуатации. Источник питания ATH-3031//Aktakom.22с.

79. Интернет издание www.home.agilent.com

80. Руководство по эксплуатации. Мультиметр Agilent 344001 A//Agilent Technologies. 242с.

81. Instruction Manuals IM-21156 for the AC1135.05 One Axis Position/Rate Table Controlled by ACUTROL ACT3000//Acutronic Switzerland Ltd. 2008. - 297 p

82. Руководство для пользователей. Система для управления вибростендом // Dactron, a division of Ling Dynamics Systems. Ling Dynamics Systems is a member of SPX Corporation. 2004. - 573 c.

83. Тимошенков С.П., Анчутин С.А., Морозова Е.С., Шалимов A.C. Исследование микромеханического акселерометра на базе преобразователя «емкость-напряжение» ххххЧМ2Т //Датчики и системы. 2009, №12, с.37-39.