Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и исследования многокомпонентных интегрированных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров, устойчивых к технологическим, температурным и механическим возмущающим воздействиям

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
микромеханический гироскоп, микромеханический акселерометр, вибропривод, первичные колебания, информативные колебания, виброустойчивость, ударная устойчивость, температурная устойчивость

Цель проекта:
Целью проекта является разработка методики проектирования интегрированных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов. Проект направлен на решение задачи создания многокомпонентных отечественных микроэлектромеханических (МЭМС) гироскопов и акселерометров, устойчиво работающих в широком диапазоне изменения температур и при наличии механических возмущений.

Основные планируемые результаты проекта:
Развитие МЭМС гироскопов и акселерометров идет по пути их миниатюризации, повышения информативности, чувствительности, расширения полосы пропускания, надежности. Для достижения таких характеристик необходимо получить следующие результаты: - анализ конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, влияющих на механические и метрологические характеристики МЭМС гироскопов и акселерометров; - имитационные модели и принципы их использования для установления закономерностей влияния конструктивно-технологических факторов на механические и метрологические характеристики МЭМС гироскопов и акселерометров; - анализ влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на прочностную и метрологическую надежность МЭМС гироскопов и акселерометров; - методы компенсации погрешностей для повышения точности МЭМС гироскопов и акселерометров; - методы и средств экспериментального исследования механических и динамических свойств материалов и конструкций МЭМС гироскопов и акселерометров; - рекомендации по совершенствованию конструкций и технологии МЭМС гироскопов и акселерометров; - инженерные методики расчета механических и метрологических характеристик МЭМС гироскопов и акселерометров; - конструкции, технологии изготовления и исследование лабораторных макетов МЭМС гироскопов и акселерометров.
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.
Разработанные микрогироскопы и микроакселерометры будут являться трёхкомпонентными и сохранять необходимые метрологические характеристики при технологических, температурных и механических возмущающих воздействиях.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
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 трёхкомпонентные 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.
Применение двух-, трёхкомпонентных 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.
Исследования МЭМС датчиков, которые проводятся с начала их появления и по настоящее время, направлены на решение следующих основных проблем: принципы построения и выбор конструктивных схем МЭМС датчиков; составление математических моделей и структурных схем; исследование динамических характеристик и выбор методов их идентификации, методы фильтрации различных видов помех; методы и перспективы измерения сверхмалых емкостей; методы повышения чувствительности МЭМС датчиков, исследование нелинейностей и методов их подавления; основы построения и реализации технологических процессов изготовления; перспективы разработки инерциальных блоков на основе МЭМС датчиков.
При проведении теоретических исследований будут применены современные методы математического, численного и имитационного моделирования, информационные технологии, включающие пакеты прикладных программ: среда моделирования MatLab с модулем Simulink, программа конечно-элементного моделирования ANSYS, система автоматизированного проектирования (САПР) T-Flex, программно-инструментальные методы и средства проектирования, которые обеспечат поведенческое описание микросистем на языке VHDL-AMS.

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.
Независимо от своего назначения, практически все МЭМС устройства имеют общие черты. Они представляют собой резонатор и содержат гребенчатые электродные структуры, которые выполняют роль датчиков или актюаторов. Поэтому полученные в работе методы проектирования микрогироскопов и микроакселерометров могут быть применены и для проектирования других видов МЭМС.
Разработанная конструкторская, технологическая и программная документация позволит обеспечить перевод результатов в стадию ОКР и создание отечественных конкурентноспособных многокомпонентных МЭМС.
В результате решения научной задачи будут созданы 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:
Объектами исследования на втором и третьем этапах выполнения ПНИ являются многокомпонентые микрогироскоп и микроакселерометр. Разработаны функциональные схемы многокомпонентных микрогироскопов и микроакселерометров, получены их математические модели, определены общие динамические свойства. Для повышения точности в гироскопах применено анти-фазное первичное движение и промежуточные тела в сенсорном движении. Разработанный шестикомпонентный микроэлектромеханический модуль (гироскоп-акселерометр) позволяет определять угловые скорости и поступательные ускорения движения.
На основании проведённого твердотельного моделирования разработаны конструкции микрогироскопов, имеющие меньшую температурную чувствительность. Методом конечно-элементного анализа проведён модальный, электростатический, тепловой анализ трёхкомпонентных модулей микрогироскопов. Предложены способы уменьшения дестабилизирующего воздействия температуры на гироскоп-акселерометр, а также способы уменьшения влияния технологических несовершенств на его динамические характеристики. Погрешности изготовления упругого подвеса сенсора гироскопа-акселерометра приводят к изменению его механического и электрического масштабного коэффициента.
Разработана система возбуждения первичных колебаний микрогироскопа и схема обработки сигналов гироскопа-акселерометра, включающая получение информации об измеряемых угловых скоростях, ускорениях и коррекцию погрешностей.
Проведён анализ воздействия вибрации и удара на микрогироскоп и микроакселерометр. Применены упругие упоры в конструкциях для смягчения воздействия удара. Проведён анализ и моделирование погрешностей датчиков с целью выделения полезной информации в их выходных сигналах.
Полученные результаты соответствуют плану-графику и требованиям к выполняемому проекту.