Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструкции и технологии производства микромеханических чувствительных элементов для навигационных систем повышенной точности

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
микросистемная техника, высокоточные инерциальные датчики, микромеханические гироскопы

Цель проекта:
В авиации и космической промышленности при построении бесплатформенных навигационных систем (БИНС) широко применяются высокоточные микромеханические датчики угловых скоростей (гироскопы) и акселерометры. Микромеханические гироскопы(ММГ), как элементы двойного назначения высокого класса точности (так же как и акселерометры и инерциальные измерительные модули), попадают под жесткие ограничения на поставки в другие страны, регулируемые правилами ITAR и Вассенаарскими договоренностями соглашениям. Большая потребность в микромеханических датчиках высокой точности присутствует у таких предприятий как ОАО «Азовский Оптико-Механический завод»; ОАО «Казанский завод «Электроприбор»; АО «НПК «КБМ»»;ООО «ТеКнол»; ОАО «Конструкторское бюро приборостроения» и др. С учетом существующей политики ограничений на поставки высокоточных инерциальных микромеханических датчиков в РФ, тема ПНИ представляется весьма актуальной и стратегически важной задачей. Целью реализуемого проекта является: Разработка конструкций и технологии создания чувствительных элементов датчиков угловых скоростей (ЧЭ ДУС) вибрационного типа тактического и навигационного класса точности, позволяющих обеспечить замещение импортных микромеханических датчиков угловой скорости в навигационных системах повышенной точности и системах автоматического управления.

Основные планируемые результаты проекта:
1.В результате выполнения проекта должны быть получены следующие научные результаты:
- Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы;
- Проведены патентные исследования;
- Разработана эскизная конструкторская документация на макеты чувствительных элементов;
- Разработана эскизная технологическая документация на технологический процесс изготовления чувствительных элементов;
- Разработаны лабораторные технологические инструкции на процесс реактивного ионно-плазменного травления (РИПТ) кремния, нанесения маскирующих покрытий для РИПТ кремния, вакуумной анодной сверки кремния и стекла;
- Разработаны программа и методики исследовательских испытаний характеристик макетов чувствительных элементов;
- Разработаны технологические маршруты изготовления чувствительных элементов;
- Выполнена апробация технологии изготовления макетов чувствительных элементов датчиков угловых скоростей;
- Изготовлены лабораторные макетов чувствительных элементов;
- Проведены исследовательские испытания макетов чувствительных элементов;
- Проведены обобщение и оценка результатов исследований;
- Разработано технико – экономическое обоснование, маркетинговое исследование, бизнес-план производства;
2.Разрабатываемая конструкция ЧЭ ДУС должна обеспечивать построение на его основе измерительной навигационной системы тактического класса точности и работоспособной в диапазоне температур от минус 40°C до плюс 85°C;
-Разрабатываемая технология ЧЭ ДУС должна базироваться на микроэлектронной планарной технологии;
- Математические модели ЧЭ ДУС должны обеспечивать моделирование в механическом, электростатическом и тепловом энергетических доменах с использованием пакета мультифизического моделирования COMSOL Multiphysics и пакета моделирования МЭМС устройств COVENTOR Ware:
-моделирование механических характеристик;
-моделирование электростатических характеристик;
-моделирование тепловых характеристик;
-комплексное электро-тепло-механическое моделирование;
-моделирование динамических свойств ЧЭ ДУС в контуре системы управления.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1.- Макетный образец ЧЭ ДУС должен иметь следующие основные технические характеристики:
Динамический диапазон, на аналоговом выходе, тип. значение ........................................................................... ±360 °/с,
Чувствительность: при 25°C и динамическом диапазоне ±300°/с, тип.значение..................................................... 5,0 мВ/°/с,
Температурный коэффициент чувствительности, в диапазоне температур от -40 до +85°C,
тип.значение........................................................................................................................................................ ±40 ppm/°C,
макс.значение...................................................................................................................................................... ±100 ppm/°C,
Уход начального смещения, не более.................................................................................................................... 1 °/час,
Значение шума на выходе, при динамическом диапазоне ±300°/с,........................................................................ 0,3°/с, СКЗ не более
Полоса пропускания по уровню -3 дБ, формируется внешними элементами, тип. значение ..................................... 10…100 Гц,
Габаритные размеры чипа ЧЭ ДУС, не более........................................................................................................... 10х10х1 (мм)
Масса чипа, не более............................................................................................................................................. 1 г
Материал структурной части ЧЭ ДУС - монокристаллический кремний.
Материал основания ЧЭ ДУС – диэлектрик, согласованный по ТКС со структурной частью ЧЭ ДУС.
2. Новизна научных (технологических) решений состоит в комплексном подходе к задаче обеспечения повышенной точности разрабатываемых преобразователей: использовании преимуществ объемной технологии для создания оригинальной многомассовой структуры с термокомпенсацией, применение активной коррекции разрабатываемых моделирующих программ на основе анализа результатов испытаний элементов преобразователей.
3. Создаваемые инерциальные преобразователи по основным характеристикам соответствуют современному уровню развития микросистемной техники и характеризуются повышенной точностью по отношению к массовому коммерческому сегменту рынка МЭМС. В сегменте инерциальных преобразователей повышенной точности создаваемая продукция будет конкурентоспособной с точки зрения стоимости для отечественного потребителя и будет обеспечивать импортозамещение.
4. Предлагаются следующие пути решения поставленных задач:
В качестве базовой технологию изготовления ЧЭ предполагается использовать технологию Кремний на Стекле, которая по сравнению с технологией КНИ(кремний на изоляторе) обеспечивает снижение паразитных емкостей более, чем на порядок, что позволит получить ММГ с низким уровнем шумов.
Для компенсации вибрационных и ударных воздействий конструкция ЧЭ будет многомассовой, обеспечивающей подстройку резонансных частот подвеса подвижной массы ЧЭ, подавление квадратурной помехи и компенсацию синфазной составляющей нулевого сигнала.
Выбор материалов для крепления кристаллов ЧЭ и заказной интегральной схемы в корпус, оценка влияния внешних воздействий на точность ММГ будет проведен с учетом моделирования их поведения, с верификацией используемых моделей на основе анализа результатов испытаний образцов.
В системе термостабилизации для оптимизация расположения датчиков температуры и нагревателей при ограничении на мощность последних на уровне 0,5Вт при диапазоне температур не ниже 100˚С предполагается разработать методику расчета, сравнить ее эффективность с термокомпенсацией как от внешних датчиков температуры, так и внутренних сигналов ММГ, формируемых на основе зависимостей параметров ЧЭ от температуры.
На основе ориентированного на оборудование Индустриального партнера лабораторного технологического маршрута изготовить экспериментальные образцы ЧЭ, и провести их экспериментальную проверку с последующей оценкой потенциальной точности ММГ и путей ее
улучшения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разрабатываемые конструкционные и технологические решения предназначены для создания новых видов научно-технической продукции – микромеханических ЧЭ ДУС для малогабаритных навигационных систем.
2. Возможные области применения инерциальных преобразователей повышенной точности: автомобильная и авиационная промышленность, приборостроение, энергетическое, металлургическое, химическое и нефтяное машиностроение, гражданское и промышленное строительство, мониторинг и диагностика сооружений и зданий.
3.Создание новых видов и совершенствование приборов, систем и оборудования для целей повышения надежности, долговечности и безопасности, построения логистических навигационных систем.
Автомобильная промышленность:
Применение в составе систем безопасности, стабилизации параметров движения, навигации, помощи водителю и систем информационного обеспечения операторов автомобильного парка (логистические системы).
Авиационная промышленность:
Применение в составе систем инерциальной навигации, управления и стабилизации.
Приборостроение:
Для создания навигационных приборов, компасов, инклинометров, устройств вибродиагностики.
Энергетическое, металлургическое, химическое и нефтяное машиностроение:
Применение в составе систем вибро-акустического контроля состояния и диагностики оборудования.
Гражданское и промышленное строительство:
Применение для геодезических систем (определение уровня, углов наклона)
Мониторинг и диагностика сооружений и зданий:
Применение в составе систем контроля состояния особо ответственных узлов и систем несущих конструкций.
4. Ряд разрабатываемых технологических решений может быть использован при выполнение совместных разработок в рамках международных программ развития в области микросистемной техники

Текущие результаты проекта:
1. Выполнение аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы
2. Проведение патентных исследований в соответствии ГОСТ Р 15.011-96.
3. Разработка функциональной схемы ЧЭ ДУС
4. Разрабока методики математического моделирования ЧЭ ДУС
5. Разработка технологии корпусирования ЧЭ ДУС для проведения исследовательских испытаний макетов
6. Разработка технической документации для изготовления оснастки для проведения исследовательских испытаний макетов ЧЭ ДУС;
7. Разработка технической документации для изготовления испытательного стенда для проведения исследовательских испытаний макетов ЧЭ ДУС