Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0069

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0069
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Разработка конструкции и технологии изготовления инерциальной измерительной системы на основе интегрированных микромеханических акселерометров и гироскопов
Докладчик
Евстафьев Сергей Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Разработка методов проектирования и технологий создания нового класса интегрированных микроэлектромеханических систем (МЭМС), объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов, установленных в инерциальной измерительной системе.
2. Разработка конструкции и технологии изготовления инерциальной измерительной системы на основе интегрированных МЭМС устройств (акселерометров и гироскопов), объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов.
3. Предоставление научно-исследовательским организациям новых и эффективных технологий создания интегрированных микроэлектромеханических систем и акселерометров и гироскопов;
4. Получение значимых научных результатов, позволяющих переходить к созданию новых типов микроэлектромеханических систем и акселерометров и гироскопов;
5. Обеспечение экспортного потенциала и замещение импорта микроэлектромеханических систем и акселерометров и гироскопов;
Актуальность и новизна исследования
Технологии микросистемной техники, обеспечивающие создание инерциальных измерительных систем на основе интегрированных микромеханических акселерометров и гироскопов, получают широкое развитие в настоящее время. Главным в этом направлении является применение микроэлектронной технологии, адаптированной для производства сложных интегрированных устройств, совмещающих механические и электронные компоненты в единой системе. Потребителями таких систем являются многие отрасли промышленности, среди которых: геологоразведка, автомобилестроение, приборостроение, авиация, транспорт, добыча полезных ископаемых, медицинское оборудование, спортивные тренажеры, телекоммуникационная техника, робототехника, бытовая техника, оборонная промышленность и пр.
В настоящий момент в России нет промышленной технологии создания инерциальных измерительных систем на основе интегрированных микромеханических акселерометров и гироскопов отечественного производства. Существующие системы представляют собой акселерометры и гироскопы в отдельном исполнении. Проведение НИР позволит провести ряд работ по разработке интегрированной системы, совмещающей функции микромеханических акселерометров и гироскопов в едином исполнении и подготовить научную основу для постановки промышленной технологии изготовления.
Описание исследования

В основу методики создания инерциальной измерительной системы на основе интегрированных МЭМС устройств, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов, положены результаты работ по созданию методики проектирования интегрированных МЭМС, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов, проведенные на первом этапе ПНИ.

В качестве основных этапов создания ИИС на основе интегрированных МЭМС предлагается следующая последовательность этапов:

‑ Выбор базовой конструкции ИИС.

‑ Расчет основных узлов конструкции ИИС.

‑ Вывод математической модели канала измерения интегрированных МЭМС внутри ИИС.

‑ Подготовка эскизной конструкторской, технической и технологической документации для изготовления опытного образца ИИС на базе интегрированных МЭМС, изготовление опытного образца ИИС.

‑ Разработка программы и методик проведения исследований и испытаний опытного образца ИИС.

‑ Проведение испытаний опытного образца ИИС согласно разработанной Программе и методикам испытаний.

‑ Разработка рабочей документации на ИИС с включением в неё изменений по итогам проведенных испытаний.

‑ Изготовление экспериментальных образцов ИИС по комплекту рабочей документации.

‑ Проведение приемосдаточных испытаний ИИС.

На заключительном этапе проводится комплекс приемосдаточных испытаний, которые показывают, что разработанные экспериментальные образцы ИИС соответствуют требованиям Технического задания. Создается финальный отчет по проделанной работе. По завершении данного этапа процесс создания интегрированных МЭМС, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов, считается завершенным.

В соответствии с выполненными на предыдущих этапах ПНИ исследованиями, методикой проектирования интегрированных микроэлектромеханических систем (датчиков, установленных в инерциальной измерительной системе), объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов, лабораторной методикой создания инерциальной измерительной системы на основе интегрированных МЭМС устройств, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов; а также согласно комплекту эскизной конструкторской документации Исполнителем ПНИ за счет внебюджетных средств был изготовлен экспериментальный образец инерциальной измерительной системы.

В 2016 году за счет средств субсидии проведены успешные испытания экспериментального образца инерциальной измерительной системы (ИИС). Нелинейность передаточной характеристики: угловой скорости 0,1% относительно диапазона измерений, ускорения 0,13% относительно диапазона измерений. Диапазон измерения: ускорений ±5 g, угловых скоростей ±300 °с. Уровень шума: интегрированных МЭМС акселерометров 0,09 mg/(Гц^0,5), интегрированных МЭМС гироскопов 0,08 °с/(Гц^0,5).

Характеристики опытного образца подтверждены проведенными испытаниями.

Результаты исследования

В 2014 году по ПНИ были получены следующие результаты. Дана сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований. Разработаны наиболее оптимальные варианты решения задачи построения МЭМС, объединяющих функции сенсорных, управляющих и исполнительных элементов. Для МА предложено использовать маятниковый ЧЭ с электростатическим съемом сигнала. Для МГ предлагается использовать кольцевой резонирующий ЧЭ с магнитопроводом. Разработан метод расчета пропускной способности интерфейса инерциальной измерительной системы. Описание метода расчета приведено в отчете по ПНИ. Разработана методика проектирования интегрированных МЭМС, приведенная в отчете по ПНИ. За счет внебюджетных средств МИЭТ и ИТТП проведены маркетинговые исследования с целью изучения перспектив коммерциализации результатов исследований, полученных при выполнении ПНИ.
Исследовано влияние различных технологических дефектов на точность МЭМС различных видов. Разработаны рекомендации к обеспечению уровня технологических дефектов при изготовлении МЭМС заданного уровня точности.

В 2015 году за счет средств субсидии была разработана функциональная схема ИИС, разработаны Программа и методики исследовательских испытаний экспериментального образца инерциальной измерительной системы. Разработаны требования к допускаемым технологическим дефектам изготовления МЭМС, обеспечивающие заданный уровень точности МЭМС. Разработана лабораторная методика создания ИИС на основе интегрированных МЭМС устройств. Разработаны интерфейсы программно-алгоритмического обеспечения для создания МЭМС указанного класса методами аддитивных технологий (ЗD-сборка). Разработано программно-алгоритмическое обеспечение проектирования нового класса датчиков, включая блок-схему, инструкцию пользователя и спецификацию. За счет внебюджетных средств МИЭТ и ИТТП были созданы математические модели интегрированных МЭМС.
Разработан комплект эскизной конструкторской документации, включающий утверждающий лист, пояснительную записку, чертеж общего вида, спецификацию, схему электрическую функциональную и схему электрическую структурную. Изготовлен экспериментальный образец инерциальной измерительной системы.

В 2016 году за счет средств субсидии проведены успешные испытания экспериментального образца инерциальной измерительной системы (ИИС). Нелинейность передаточной характеристики: угловой скорости 0,1% относительно диапазона измерений, ускорения 0,13% относительно диапазона измерений. Диапазон измерения: ускорений ±5 g, угловых скоростей ±300 °с. Уровень шума: интегрированных МЭМС акселерометров 0,09 mg/(Гц^0,5), интегрированных МЭМС гироскопов 0,08 °с/(Гц^0,5). Проведены успешные испытания ИИС на стойкость к линейному ускорению 150g. Проведены успешные испытания ИИС на стойкость к повышенной (+80°С) и пониженной (минус 40°С) температуре. Проведены успешные испытания ИИС на стойкость к синусоидальной вибрации 2000Гц. За счет внебюджетных средств разработана ЭКД на стенд контроля основных параметров образцов интегрированных МЭМС (лист
утверждения, спецификация, схема электрическая принципиальная, перечень элементов, руководство по эксплуатации), изготовлен стенд контроля основных параметров образцов интегрированных МЭМС для управления испытательным оборудованием и анализа параметров испытываемого устройства, разработана и изготовлена технологическая оснастка для проведения испытаний.

Практическая значимость исследования
Установлено, что технологии микросистемной техники, обеспечивающие создание инерциальных измерительных систем на основе интегрированных микромеханических акселерометров и гироскопов, получают широкое развитие в настоящее время. Главным в этом направлении является применение микроэлектронной технологии, адаптированной для производства сложных интегрированных устройств, совмещающих механические и электронные компоненты в единой системе.
Потребителями таких систем являются многие отрасли промышленности, среди которых: геологоразведка, автомобилестроение, приборостроение, авиация, транспорт, добыча полезных ископаемых, медицинское оборудование, спортивные тренажеры, телекоммуникационная техника, робототехника, бытовая техника, оборонная промышленность и пр.

Применение данной инерциальной измерительной системы на основе интегрированных микромеханических акселерометров и гироскопов позволит увеличить точность и надежность приборов системы глобального местоопределения, а также контролировать перемещение различных движущихся средств: автомобилей, самолетов, промышленных роботов, антенн, промышленного оборудования.