Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0123

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0123
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Разработка конструкции и технологии производства микромеханических чувствительных элементов для навигационных систем повышенной точности
Докладчик
Пятышев Евгений Нилович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
В авиации и космической промышленности при построении бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) широко применяются высокоточные микромеханические датчики угловых скоростей (гироскопы) - ММГ и акселерометры.
Высокие точности ММГ в отсутствие вибраций, ударов при работе в узком диапазоне температур были достигнуты рядом зарубежных фирм к 2010г.
Как элементы двойного назначения ММГ 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.
До введения санкций высокоточные микромеханические датчики иностранных производителей были доступны в Российской Федерации в небольших количествах (партия до 200 шт.), средняя стоимость за один одноосный датчик такого типа 1500$.
Предлагаемые к поставке датчики зарубежных фирм, которые смогли обойти вышеназванные ограничения, имеют завышенную стоимость из-за отсутствия конкурентоспособных отечественных датчиков.
В Российской Федерации производством микромеханических датчиков и самих чувствительных элементов занимается ряд организаций. Однако, точность и габариты выпускаемой продукции не соответствует потребностям рынка.
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 является актуальной и стратегически важной задачей.
Описание исследования

Для выполнения проекта требуется решить следующие задачи:

- провести анализ научно-технической литературы и патентный поиск по теме проекта,

- выбрать технологию изготовления чувствительного элемента (ЧЭ), обеспечивающую достижение высокой точности ММГ,

- разработать конструкцию ЧЭ, позволяющую реализовать необходимые законы управления положением подвижной массы, компенсацию внешних воздействий,

- выбрать материалы для крепления кристаллов ЧЭ и заказной интегральной схемы в корпус, обеспечивающие их малое коробление,

- провести моделирование работы ЧЭ при внешних воздействиях и оценить их влияние на точность ММГ и создать научный задел в области компьютерного моделирования конструкций кристаллов,

- рассмотреть целесообразность термостабилизации ЧЭ,

- разработать ориентированный на оборудование Индустриального партнера лабораторный технологический маршрут изготовления ЧЭ и изготовить с его использованием экспериментальные образцы,

- разработать методики измерения параметров и характеристик ЧЭ, провести испытания и оценить потенциальные характеристики ММГ,

- выработать предложения по возможности дальнейшего улучшения характеристик ЧЭ и ММГ на их основе,

- разработать эскизные ТД на технологию изготовления,

- разработать предложения и рекомендация по коммерциализации результатов ПНИ и вовлечению их в хозяйственный оборот, а также технических требований для опытно конструкторской реализации результатов ПНИ.

Предлагаются следующие пути решения поставленных задач:

В качестве базовой технологии изготовления ЧЭ используется технология 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 выполняется многомассовой LL-типа, с электродной структурой 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 проводится с учетом моделирования их поведения в программе для анализа МКЭ 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 на основе МКЭ, 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.

Результаты исследования

В ходе выполнения ПНИЭР должны быть получены следующие научно-технические результаты:

1. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИЭР

2. Отчет о патентных исследованиях в соответствии ГОСТ Р 15.011-96

3. Математические конечно-элементные 3D модели для мультифизического (электромеханического и термоупругого) моделирования ЧЭ ДУС

4. Эскизная конструкторская и технологическая документация для изготовления лабораторных макетов ЧЭ ДУС

5. Программа и методики исследовательских испытаний лабораторных макетов ЧЭ ДУС

6. Лабораторные макеты микромеханических ЧЭ ДУС

7. Проект ТЗ на проведение ОКР по теме: «Разработка микромеханических чувствительных элементов для навигационных систем повышенной точности».

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.

 

Текущие результаты проекта:

По 1 Этапу:

1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы

2. Проведены патентные исследования в соответствии ГОСТ Р 15.011-96.

3. Разработана функциональная схема ЧЭ ДУС

4. Разработана методика математического моделирования ЧЭ ДУС

5. Разработана технология корпусирования ЧЭ ДУС для проведения исследовательских испытаний макетов

6. Разработана техническая документация для изготовления оснастки для проведения  исследовательских испытаний макетов ЧЭ ДУС;

7. Разработана техническая документация для изготовления испытательного стенда для проведения исследовательских испытаний макетов ЧЭ ДУС.

По 2 Этапу:

1. Разработана конструктивная схемы ЧЭ ДУС

2. Выполнено математическое моделирование ЧЭ ДУС

3. Определен состав технологических операций и разработаны лабораторные технологические маршруты изготовления ЧЭ ДУС

4. Определен состав и разработаны тестовые структуры фрагментов ЧЭ ДУС для проведения исследования и экспериментальной отработки режимов отдельных критических технологических операций

5. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний тестовых структур

6. Изготовлены тестовые структуры фрагментов ЧЭ ДУС для отработки технологических и конструктивных решений

7. Выполнены исследовательские испытания тестовых структур

8. Изготовлена оснастка для проведения исследовательских испытаний макетов ЧЭ ДУС

9. Закуплено оборудование для изготовления экспериментального стенда для проведения исследовательских испытаний лабораторных макетов ЧЭ ДУС

10. Изготовлен экспериментальный стенд для проведения исследовательских испытаний лабораторных макетов и опытных образцов ЧЭ ДУС.

 

 

Практическая значимость исследования
Результаты работы могут быть использованы в следующих областях:
- Системы стабилизации. В том числе системы стабилизации и наведения антенн, системы стабилизации движущихся объектов (летательных аппаратов, малых судов, автотранспорта, морских платформ)
- Системы мобильного картографирования с поддержкой GLONASS/GPS в высокопроизводительном сельском хозяйстве, составление кадастров
- Гироинклинометры для непрерывной съемки скважин
- Инерциальные измерительные модули для беспилотных воздушных и подводных аппаратов
- Устройства навигации в зданиях для МЧС
- Тренажерные системы для подготовки спортсменов, персонала
- Высокоточное оружие
- Создание инерциальных систем широкого круга применений.
В соответствии с анализом публикаций отечественных конференций интерес к разработке высокоточных отечественных ММГ проявляют разработчики систем оружия, БПЛА, оборудования для бурения и съемки скважин. Основным потребителем разрабатываемой технологии является АО Корпорация НПО «РИФ», которым сформулировано техническое задание на разработку конструкции и технологии производства микромеханических чувствительных элементов для навигационных систем повышенной точности.Конечными потребителями результатов внедрения технологии являются ОАО «Азовский Оптико-Механический завод»; ОАО «Казанский завод «Электроприбор»;АО «НПК «КБМ»»;ЗАО «МНИТИ».