Главный pедактоp — д-р техн. наук, п|)офессор В. Ю. Кнеллеp
УДК 681.586.2."13"
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ:
СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ1
А. А. Тыртычный, А. И. Скалон
Статья содержит краткий обзор конструкций и принципов функционирования микромеханических гироскопов на поверхностных акустических волнах и кольцевых волновых микромеханических гироскопов. Выявлены принципиальные недостатки таких конструкций. Приведено краткое описание конструкции и принципа функционирования автоколебательного микромеханического гироскопа, позволяющего в существенной степени решить проблемы, связанные с этими недостатками.
Ключевые слова: обзор, микромеханика, гироскоп, конструкция, принцип функционирования, поверхностные акустические волны, кольцевой волновой гироскоп, автоколебания.
ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения Контроль
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
ВВЕДЕНИЕ
Освоение технологии изготовления 3D механических структур с использованием технологий и оборудования, применяемых в микроэлектронике, открыло путь к созданию микроминиатюрных электромеханических систем (МЭМС). Это новое направление в области приборостроения получило название микромеханики. Микромеханические гироскопы (ММГ) — наиболее сложные МЭМС
Работы по созданию ММГ начались в 90-х годах прошлого века в ряде ведущих лабораторий и институтов зарубежных стран. В настоящее время несколько крупных зарубежных фирм серийно выпускают ММГ, например, Analog Devices, Silicon Sensing, Honeywell, Bosch, Systron Donner, Murata и др. [1].
В зарубежных странах ММГ широко используются в автомобильной промышленности, робототехнике, системах управления и стабилизации различных объектов (беспилотных летательных аппаратов, управляемых реактивных снарядах, системах стабилизации изображения и т. п.) [2].
ММГ является микроэлектромеханической системой, объединяющей функциональные части с различ-
1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 10-0800190.
ными принципами физического действия: электромеханическую (чувствительный элемент) и электронную части. Интеграция функциональных частей может происходить по-разному. В зависимости от технологии изготовления датчиков все части могут изготавливаться в едином технологическом процессе или каждая по отдельности с использованием разных процессов и объединяться позже.
Привлекательными качествами этих приборов, определившими их быстрое развитие, являются предельно малые габариты, высокая надежность и низкая стоимость, достигаемые путем использования групповых технологий микроэлектроники, адаптированных к изготовлению микромеханических устройств. Чрезвычайно важна и практически полная совместимость механической части приборов с сервисной электроникой [3].
СОВРЕМЕННЫЕ РАЗРАБОТКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ
Разработки ММГ ведут ряд ведущих зарубежных фирм. В США это корпорации Boeing North American, Rockwell International Corporation, Northrop Grumman Corporation, Litton Systems, Motorola, Analog Devices; университетские лаборатории: CalTech, University of California. На создании навигационных систем на основе микромеханических элементов и приборов специализируются Integrated Micro Instruments и Charles Stark
Draper Laboratory. В Японии микромеханические приборы разрабатывают корпорации: Fujitsu, Nippon Soken, Toyota, Matsushita Electric Industrial. Их продукция используется фирмой Murata Manufacturing, специализирующейся на создании микромеханических навигационных систем. В Великобритании ведущей корпорацией в этом направлении является British Aerospace, в Южной Корее — корпорация Samsung, в Германии — корпорации Robert Bosch и Siemens, во Франции — корпорация SAGEM.
В России разработки ММГ ведутся в ЦНИИ "Электроприбор", ЗАО "Гирооптика", Раменском проект-но-конструкторским бюро (РПКБ), НИИ "Полюс", НИИ "Астрофизика", в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения (СПб ГУАП), Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СПб ГПУ), Московском государственного институте электронной техники (МИЭТ), Таганрогском государственном радиотехническом университете (ТРТУ) и других.
Фирмы, используя различную технологическую и конструктивную базу для создания ММГ, разрабатывают свою концепцию их производства. Отказ от классических схем гироскопов с вращающимся ротором не только устраняет наименее надежные узлы прибора, но и существенно упрощает его конструкцию, делая ее совместимой с технологической базой микроэлектроники.
Как правило, современные ММГ представляют собой электромеханические системы, в которых энергия вынужденных (первичных) колебаний инерционной массы (ИМ), являющейся резонатором, при наличии переносной угловой скорости преобразуется в энергию вторичных колебаний, содержащих информацию об измеряемой угловой скорости. Это преобразование осуществляется вследствие влияния на резонатор сил (или моментов) инерции Кориолиса [4]. Амплитуда первичных и, тем более, вторичных колебаний инерционных масс очень мала, поэтому требуется резонансная настройка, при которой частоты первичных и вторичных колебаний и собственная частота резонатора стали близки между собой.
По виду первичного и вторичного движений инерционных масс различают гироскопы LL-типа (linearlinear); гироскопы RR-типа (rotary-rotary) и гироскопы LR-типа. В LL-гироскопах ИМ совершают поступательные перемещения, в RR-гироскопах — вращательные перемещения, в LR/RL-гироскопах — различные комбинации поступательных и вращательных перемещений [4].
Как правило, при изготовлении ММГ электромеханические узлы формируют из монокристаллического кремния при помощи методов фотолитографии, анизотропного травления, диффузионной сварки и др. Кроме механической части в ММГ имеются элементы возбуждения колебаний, датчики съема и преобразования полезного сигнала, элементы формирования обратных связей. Все элементы прибора представляют собой трехмерные структуры. Для возбуждения первичных колебаний, создания сил и моментов компенсации, измерения параметров вторичных колебаний применяют
Рис. 1. Микроструктура LR-гироскопа Draper Laboratory
электростатические, магнитоэлектрические, электромагнитные преобразователи [4].
Одна из первых и широко известных микроструктур LR-типа, разработанная в Draper Laboratory [5], показана на рис. 1.
В данной конструкции чувствительный элемент (ЧЭ) прибора состоит из двух ИМ, связанных через упругие элементы подвеса и рамки с анкерами, скрепленными с подложкой, на которой расположены также статоры гребенчатых структур электростатических двигателей (левого, правого и центрального) и неподвижные электроды емкостных датчиков положения (ДП), тогда как подвижные электроды размешены на ЧЭ. Режим противофазного движения инерционных масс осуществляется в направлении оси X. При появлении угловой скорости Q вокруг оси Y (ось чувствительности) инерционные массы под действием сил Кориолиса выходят из плоскости XY в противофазе, вызывая угловые колебания рамки вместе с инерционными массами, которые воспринимаются емкостными ДП.
Общий недостаток двухмассовых ММГ с независимым упругим подвесом каждой ИМ заключается в сложности обеспечения равенства их собственных частот и синхронности противофазных колебаний. Указанное обстоятельство привело к созданию гироскопов с одной ИМ. Различные варианты конструктивных схем таких гироскопов приведены в работе [6].
В качестве примера приведено описание известной разработки микрогироскопа ADXRS, который представляет собой выполненную на одном кристалле кремния интегральную микросхему со всеми необходимыми электронными компонентами формирования аналогового выходного сигнала. В центре микросхемы находятся две микромеханические структуры из поликристаллического кремния. ИМ каждой из структур приводится в режим колебательного движения электростатическими гребенчатыми двигателями. Съем сигнала, пропорционального угловой скорости, осуществляется гребенчатыми емкостными ДП. Кинематическая схема, поясняющая принцип работы такого гироскопа, показана на рис. 2 [7].
Фирма Analog Devices в настоящее время серийно выпускает гироскопы ADXRS 150 и ADXRS 300 с диапазоном измерения 150 и 300 °/с соответственно [4]. На рис. 3 показана конструкция гироскопа.
Другим направлением в современных разработках ММГ являются приборы с дисковыми резонаторами,
совершающими крутильные колебания. Это так называемые вращательные вибрационные ММГ (ВВММГ) или ММГ RR-типа [8]. Такие приборы представляют собой резонатор в виде диска, закрепленный на торси-онах (как правило, на четырех). При помощи электростатических датчиков силы (ДС), например, гребенчатых приводов, диск приводится в колебательное движение вокруг оси 2, перпендикулярной его плоскости. Электрокинематическая схема, поясняющая принцип действия такого ММГ, показана на рис. 4. При вращении прибора вокруг оси, лежащей в его плоскости, вследствие действия силы Кориолиса возникают колебания, перпендикулярные плоскости диска. В результате этого один край диска начинает подниматься, а другой — опускаться в зависимости от текущего направления колебаний возбуждения. Съем информации осуществляется электростатическими ДП, представляющими собой конденсаторы, одна обкладка которых находится на поверхности диска, а другая на подложке под диском (четыре секторных электрода). Изменение емкости этих четырех конденсаторов несет информацию об угловой скорости вращения прибора вокруг осей X и У.
Диск-вибратор
Емкостной1— сенсор Модулятор
Генератор колебаний -
Выходное напряжение
Крепление
Диск-вибратор
Крутильные колебания
Измерительная ось X
Пружинный подвес
Измерительная ось У
Рис. 2. Кинематическая схема гироскопа ЛОХИБ
Рис. 4. Схемы, поясняющие принцип действия, и внешний вид ВВММГ
Ось первичных Датчик угла первичных колебаний колебаний ^
Электростатический привод
Ось вторичных колебаний
Датчик момента
Датчик угла вторичных колебаний
С
ы
Рис. 5. Конструктивная схема и структура КЙ-гироскопа ЦНИИ "Электроприбор"
В России разработки ВВММГ осуществлены в ЦНИИ "Электроприбор" и ЗАО "Гирооптика". Конструктивная сх
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.