Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0068

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0068
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Название доклада
Разработка методов проектирования многокомпонентных интегрированных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям
Докладчик
Бориков Валерий Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка методики проектирования интегрированных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов.
Задачами исследований являются: разработка физико-математической и численной моделей МЭМС гироскопов и акселерометров; получение расчётных данных об их технических характеристиках; разработка теории, методики проектирования и испытаний микроэлектромеханических датчиков, устойчивых к технологическим, тепловым и механическим воздействиям; исследование влияния различных технологических дефектов, температурных и механических возмущений на характеристики МЭМС гироскопов и акселерометров; выработка требований к допускаемым технологическим дефектам изготовления МЭМС, обеспечивающих заданный уровень точности МЭМС; изготовление и экспериментальные исследования их характеристик; разработка ТЗ на ОКР.
Актуальность и новизна исследования
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.
Потребность в микромеханических приборах, сохраняющих показатели точности и другие эксплуатационные характеристики при расширенных диапазонах параметров воздействий, существует в таких областях, как беспилотные летательные аппараты; подземная навигация при проходке скважин, военная техника, строительство, все транспортные средства, железно- и автодорожное хозяйство.
При работе гироскопов и акселерометров на их точность оказывают влияние внешние и внутренние возмущающие воздействия. Микроэлектромеханические системы сочетают в себе механические и электрические компоненты крайне малых размеров.
Технический уровень микрогироскопов и микроакселерометров может быть представлен через совокупность входных, выходных, статических, динамических, энергетических, конструктивно-технологических, эксплуатационных параметров и характеристик, которые необходимо обеспечить в процессе их проектирования и изготовления. Проблема разработки и производства новых МЭМС устройств является актуальной для российского прецизионного микроэлектронного приборостроения и может быть решена с помощью применения новых технологий, новых технических решений и методик проектирования на основе новых математических моделей функционирования. По результатам исследований получен патент и поданы три заявки на изобретение.
Описание исследования

Технический уровень микрогироскопов и микроакселерометров может быть представлен через совокупность входных, выходных, статических, динамических, энергетических, конструктивно-технологических, эксплуатационных параметров и характеристик, которые необходимо обеспечить в процессе их проектирования и изготовления.

При разработке многокомпонентных МЭМС гироскопов и акселерометров были использованы следующие пути достижения результатов: выбор и оптимизация конструкции MEMS датчиков; математическое моделирование их работы; оптимизация конструкции MEMS; изготовление и исследование лабораторных образцов MEMS-датчиков. В работе предложена схема многокомпонентного МЭМС гироскопа-акселерометра, который обладает свойствами как гироскопа, так и акселерометра. Проведён анализ его чувствительности к вибрационным и ударным воздействиям c использование математических моделей и программы Ansys методом конечных элементов. Поступательная вибрация основания вызывает колебания гироскопа с частотой вибрации, которые накладываются на информативные колебания. Применение антифазных первичных колебаний гироскопа позволяет уменьшить в выходной информации влияние вибрационных колебаний. Собственные частоты гироскопа и акселерометра превышают частотный диапазон вибрационного воздействия, что исключает возможность возникновения резонансов.

Для обеспечения ударопрочности гироскопа-акселерометра в конструкции предусмотрено наличие упоров, ограничивающих перемещения элементов. Максимальные напряжения, возникающие в конструкции при ударе и вибрации, меньше допустимого значения для материала сенсора. Конструктивно-технологические факторы влияют на метрологические характеристики микрогироскопа-акселерометра. Упругие элементы подвесов сложной формы в виде меандра обладают меньшими температурными ошибками в сравнении с традиционными типами упругих элементов.  Использованием менее чувствительных к температуре упругих элементов, расположением упругих элементов в подвесе или введением упругих компенсаторов повышается стабильность масштабных коэффициентов. Разработанная технология изготовления тестовых структур на основе технологии «кремний на стекле» и глубокого реактивного травления кремния позволяет получить технологические погрешности, которые лежат в допустимых пределах, что обеспечивает стабильность характеристик гироскопа-акселерометра.

Общая погрешность гироскопа-акселерометра состоит из погрешностей кремниевых сенсоров и погрешностей электронных блоков. Комбинация методов синхронного детектирования и полосовой фильтрации позволяет произвести извлечение полезной информации в условиях воздействия помех, вызванных механическим шумом и шумом электронных компонентов. Механический шум и шум электронных компонентов имеют одинаковый порядок величин. Шум электронных компонентов может быть учтен с помощью схем выборки-хранения при настройке МЭМС в отсутствии действия сил Кориолиса, а затем скомпенсирован программно или аппаратно.

Целесообразно реализовать преобразование изменения емкости в ток, при этом результат измерения полезной информации не зависит от начальной фазы генератора переменного напряжения. Требуется обеспечить стабильность по частоте и фазе синфазного и квадратурного сигнала для управления ключевыми синхронными детекторами, частота и фаза которых соответствует частоте и фазе полезного сигнала. Моделирование на системном уровне позволяет определить взаимодействие между различными физическими полями и поведением гироскопа-акселерометра вместе с измерительной схемой.

На основе теории графов построены направленные графы для каналов измерения угловой скорости и ускорения непрерывной части МЭМС гироскопа-акселерометра. На основе теории спектрального анализа проведен численный анализ и рассчитана пропускная способность МЭМС. В среде графического программирования LabVIEW разработаны интерфейсы, обеспечивающие возможность непосредственного использования программно-алгоритмического обеспечения для создания многокомпонентных МЭМС гироскопов и акселерометров методами аддитивных технологий. 

Результаты исследования

Конечным продуктом результатов исследований является методика создания многокомпонентного инерциального МЭМС датчика с функциями гироскопа и акселерометра. В настоящее время существует мировая тенденция создания на одном кристалле многокомпонентных инерциальных модулей, которые вытесняют на рынке долю одно-двухкомпонентных сенсоров. Многокомпонентные модули производят компании  InvenSense, STMicroelectronics,  Movea.  Данная тенденция обусловлена двумя факторами: потребительский рынок сдвигается в сторону измерения множества параметров. Сенсоры, объединённые в одном чипе, имеют меньшие массу и габариты, что соответственно удешевляет готовое изделие. К тому же увеличение количества измеряемых параметров, в число которых входят параметры, характеризирующие дестабилизирующие воздействия,  позволяет компенсировать их влияние. Измерение по нескольким осям позволяет значительно продвинуть интерфейс пользователя.

При выполнении проекта получены результаты: разработана конструктивная схема гироскопа-акселерометра, устойчивого к механическим, тепловым и технологическим воздействиям, составлена его математическая модель. Разработана система возбуждения первичных колебаний и съема выходной информации МЭМС датчика. Определены его динамические характеристики и проведено системное моделирование. Исследовано влияние различных технологических дефектов на точность обеспечения заданных характеристик гироскопа-акселерометра, получены значения допускаемых технологических дефектов отклонения геометрических параметров конструкции. Разработаны методы расчета пропускной способности интегрированных многокомпонентных МЭМС гироскопов и акселерометров, состоящих из механических и электрических элементовэлементов.

Разработан технологический процесс и эскизная конструкторская документация, по которым изготовлены экспериментальные образцы интегрированного многокомпонентного гироскопа-акселерометра.

 Функционирует сайт на портале ТПУ (http://portal.tpu.ru/science/projects/tmems), на котором в сети Интернет размещена информация о ходе выполнения проекта. Это опубликованные статьи, патенты, материалы выступления на конференциях.

Практическая значимость исследования
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.
Разработанные упругие подвесы, позволяют создавать многокомпонентные микросистемы с линейным перемещением масс вне плоскости сенсора. Разработанный многокомпонентный гироскоп-акселерометр позволяет: определять угловые скорости по трём осям; линейные ускорения по трём осям; исключить влияние линейного ускорения на измерение угловой скорости; уменьшить влияние температурных и технологических воздействий; уменьшить квадратурные погрешности.
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.