Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов проектирования многокомпонентных интегрированных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям

Докладчик: Бориков Валерий Николаевич

Должность: Директор Института неразрушающего контроля, заведующий кафедрой

Цель проекта:
Целью работы является разработка научно-технических решений для создания многокомпонентных микроакселерометров и микрогироскопов, устойчиво работающих в широком диапазоне изменения температур и при наличии механических возмущений. Разрабатываемые в ходе ПНИ методы проектирования и технологии предназначены для создания интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микракселерометров, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов. Разрабатываемые в ходе ПНИ методики и программно – алгоритмическое обеспечение должны позволять предсказывать уровень погрешностей интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микракселерометров. В ходе ПНИ должны быть выработаны требования к допускаемым технологическим дефектам изготовления интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микракселерометров, обеспечивающие заданный уровень точности. Созданные интерфейсы, с учетом требований к допускаемым технологическим дефектам должны позволять непосредственно использовать разработанное программно-алгоритмическое обеспечение для создания разработанных интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микракселерометров. Разрабатываемые в ходе ПНИ методы проектирования интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микроакселерометров должны обеспечивать их проектирование с погрешностью в заданных пределах.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта будут получены методы проектирования и технологии, предназначеные для создания интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микракселерометров, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов.
Разрабатываемые в ходе ПНИ методики и программно – алгоритмическое обеспечение должны позволять предсказывать уровень погрешностей интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микракселерометров.
Созданные интерфейсы, с учетом требований к допускаемым технологическим дефектам должны позволять непосредственно использовать разработанное программно-алгоритмическое обеспечение для создания разработанных интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микракселерометров.
Созданы конечно-элементные модели интегрированных многокомпонентных микрогироскопа и микроакселерометра для проведения температурного и электростатического анализа.
Разработаны методы уменьшения влияния дестабилизирующих воздействий. Будут разработаны способы обеспечения ударо- и вибростойкости интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микроакселерометров.
Будут разработаны схемотехнические решения систем обработки сигналов интегрированных многокомпонентных микрогироскопов.
Будут разработаны математические модели выходных сигналов интегрированных многокомпонентных микрогироскопа, микроакселерометра, учитывающие систематические и случайные составляющие погрешностей.
Будут разработаны имитационные модели для системного моделирования интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микроакселерометров с целью установления закономерностей влияния конструктивно-технологических факторов на их механические и метрологические характеристики.
Будут проведено моделирование на системном уровне интегрированных многокомпонентных микрогироскопов и микроакселерометров совместно со схемой
обработки сигналов для анализа взаимодействия между различными физическими полями и поведением системы в целом в составе измерительной схемы.
Будут разработаны методы повышения чувствительности интегрированного многокомпонентного микроакселерометра в результате интегрирования его сенсора с наноэлементами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Глубокое проникновение микросенсоров в различные сферы жизни вызывает необходимость обеспечения требуемых точностных характеристик при их работе в широком диапазоне температур, наличии вибрации и ударных воздействий. Одним из направлений повышения точности МЭМС является применение многокомпонентных микросистем, которые представляют собой модуль, объединяющий в одном корпусе несколько измерительных микромеханических сенсоров.
В состав разрабатываемой микросистемы будут входить трёхосные микроэлектромеханические измерительные сенсоры (гироскопы, акселерометры, датчик температуры на основе микрорезонатора) и программно-аппаратная электронная часть, которая осуществляет управление питанием и алгоритмическую коррекцию различных видов погрешностей. Такие датчики обладают повышенной информативностью, а кроме того, позволяют улучшить точностные характеристики гироскопа за счет его коррекции от сигнала акселерометра, которая осуществляется внутри датчика.
Микроэлектромеханические гироскопы при продолжительной работе накапливают погрешность, что вызывает отклонение в маршруте. Это недопустимо, особенно в случае необходимости высокоточной навигационной системы. Поэтому необходимо решать проблему калибровки инерциальных датчиков, что может быть достигнуто при объединении гироскопа и акселерометра в одном устройстве. Применение двухосных, трёхосных датчиков угловых скоростей и ускорений положительно влияет на габариты инерциальных измерительных блоков, создаваемых на их основе. Такие датчики включают в себя сервисную электронику, что придает им функциональную законченность и улучшает эксплуатационные характеристики.
Проблема разработки и производства новых МЭМС устройств является актуальной для российского прецизионного микроэлектронного приборостроения и может быть решена с помощью применения новых технологий, технических решений и методик проектирования на основе новых математических моделей функционирования и программных продуктов.
Следовательно, задача создания отечественных многокомпонентных микроэлектромеханических систем повышенной точности, работающих в широком диапазоне температур, при наличии вибрации и ударных воздействий, является актуальной. Разработка и производство МЭМС в России является одним из наиболее перспективных направлений инновационного развития экономики страны. Это связано с широкой сферой применения такого рода изделий.
Существует большое разнообразие микроэлектромеханических систем (микрогироскопы, микроакселерометры, микрозеркала, микропереключатели, микрогенераторы, микрорезонаторы, микроёмкости и т.д), которые имеют одинаковые электромеханические свойства. Поэтому полученные в работе методы проектирования микрогироскопов и микроакселерометров могут быть применены и для проектирования других видов МЭМС.
В результате решения научной задачи будут созданы МЭМС датчики, соответствующие мировому уровню, которые найдут применение на гражданском и военном рынке.
Производство МЭМС приведёт к приросту ВВП, использование МЭМС в медицине улучшит качество жизни людям, имеющим хронические заболевания.


Текущие результаты проекта:
Объектом исследования на первом этапе выполнения ПНИ является многокомпонентый акселерометр. В процессе работы на первом этапе разработаны различные функциональные схемы многокомпонентных микроакселерометров и микрогироскопов, получены их математические модели, определены общие динамические свойства. Для дальнейших исследований и разработки выбраны схемы, наименее чувствительные к возмущающим воздействиям.
Сделан обзор литературных источников, в которых рассматриваются типы микрогироскопов и акселерометров, определены возмущающие воздействия и их влияние на МЭМС. Проведён патентный обзор микрогироскопов и микроакселерометров.
Методом конечно-элементного анализа проведён модальный, электростатический, тепловой анализ нескольких схем трёхкомпонентных микроакселерометров. На основании проведённого твердотельного моделирования разработаны конструкции микроакселерометров, имеющие меньшую температурную чувствительность и проведено их моделирование на системном уровне. Предложены способы уменьшения дестабилизирующего воздействия температуры на микроакселерометр, а также уменьшения влияния технологических несовершенств на его динамические характеристики. Изготовлены тестовые структуры микроакселерометра