Микромеханический гироскоп

2. Принцип действия

Принцип действия ММГ основан на измерении вторичных колебаний инерционной вибрирующей массы, которые возникают под действием кориолисовых сил инерции при вращении основания. Одним из эффективных способов увеличения точности в таких гироскопах является использование резонансных свойств чувствительного элемента (ЧЭ) датчика. При этом первичные колебания возбуждаются на собственной частоте его механического резонанса. Максимальная чувствительность датчика достигается при равенстве собственных частот первичных и вторичных колебаний. Однако погрешности изготовления не позволяют обеспечить такую настройку с необходимой точностью. Кроме того, приборы с резонансной настройкой имеют очень узкую полосу пропускания. Специалисты считают, что наиболее эффективный путь повышения точности – это создание приборов с активным управлением характеристиками первичных и вторичных колебаний.

Вопросам разработки высокоточных ММГ и повышения их точности посвящено множество статей и патентов, при этом в большей их части объектом исследований и разработки являются приборы прямого типа измерения.

Публикации о принципах  создания высокоточных ММГ компенсационного типа носят более поверхностный или фрагментарный характер, что обусловлено, по всей видимости, стремлением авторов защитить свои “ноу-хау”, а так же тем, что высокоточные ММГ являются в ряде стран (США, Франция, Германия, Великобритания) продукцией двойного назначения.

Среди доступных публикаций можно отметить стандарт IEEE 1431-2004 по испытаниям ММГ, а также статьи зарубежных исследователей Geen J., Ward P, Clark W.A. , Shkel A, Geiger W, Link T.

В России публикаций о разработках  ММГ существенно меньше. Причиной этого является несовершенство отечественной технологической базы и недостаточное финансирование проектов. Разработки ММГ ведутся в ГНЦ ФГУП “ЦНИИ “Электроприбор””, ЗАО “Гирооптика”, Раменском РПКБ, на кафедрах университетов СПб ГУАП, МИЭТ, ТРТУ и др. Из отечественных публикаций можно отметить монографии В.Я. Распопова и А.С. Неаполитанского, статьи А.М. Лестева, Л.П. Несенюка, М.И. Евстифеева, С.Г. Кучеркова, Л.А.Северова, В.К. Пономарева, А.И. Панферова, Я.А. Некрасова, Ю.В. Шадрина, В.Э. Джашитова, Ю.А. Чаплыгина, Д.П. Лукьянова, А.П. Мезенцева.

Приведены результаты математического моделирования, исследования динамики и погрешностей, ударных  воздействий, разработки конструкций  и отработки технологических  процессов изготовления микромеханических гироскопов. В системах управления робототехнических комплексов в качестве датчиков первичной информации все более широкое применение получают микромеханические гироскопы (ММГ). ММГ характеризуются сверхмалыми массой и габаритами, малым энергопотреблением, чрезвычайно низкой стоимостью и, вместе с тем, высокой устойчивостью к внешним воздействиям.

В комплексе  со спутниковыми навигационными системами, дальномерными системами и иными  источниками внешней информации ММГ позволяют создавать малогабаритные инерциальные системы управления робототехнических комплексов, обеспечивающие необходимую точность определения параметров ориентации и позиционирования.

В настоящей  статье рассмотрены конструктивные схемы ММГ, разрабатываемые АОЗТ “ГИРООПТИКА” совместно с лабораторией микротехнологии и микроэлектромеханических систем СПбГТУ (рис. 1,2).

Рис. 1. ММГ с  поступательным движением чувствительных масс конструкции АОЗТ “ГИРООПТИКА”

Рис. 2. Роторный ММГ конструкции АОЗТ "ГИРООПТИКА"

3. Конструктивные схемы ММГ

Колебания чувствительных масс в каждой из схем возбуждаются электростатическим гребенчатым виброприводом. В конструкциях приборов реализуется  компенсационный (с обратной связью) режим работы. Сигналы снимаются  с помощью емкостных датчиков; в системах обратной связи применены электростатические датчики силы. Электромеханические узлы ММГ рассматриваемых типов вместе с элементами вибровозбуждения колебаний, датчиками съема и преобразования полезного сигнала, элементами обратных связей формируются методами современной микроэлектроники на основе кремниевой технологии .

При исследовании динамики, определении собственных  частот и соответствующих им форм колебаний, вынужденных колебаний  и процессов их установления использовались модели ММГ с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Модели с  сосредоточенными параметрами исследовались  аналитическими методами, с распределенными  – методом конечных элементов, реализуемым  с использованием вычислительной системы Pro/MECHANICA. Зависимости амплитуд вынужденных колебаний чувствительных масс ММГ от частоты вибровозмущения (резонансные кривые) показаны на рис. 3. На рис. 3, а приведена резонансная кривая для ММГ с поступательными движениями чувствительных масс в окрестности собственной частоты (~ 12 кГц), соответствующей поступательным колебаниям чувствительных масс в противофазах. Для рассматриваемой конструкции ММГ амплитуда вынужденных колебаний чувствительных масс вдоль оси Х (см. рис. 1) при резонансной настройке составляет ~ 25 мкм. Амплитуды вынужденных колебаний чувствительных масс вдоль осей Y и Z при этом пренебрежимо малы (измеряемая угловая скорость равна нулю).

Рис. 3. Частотные  характеристики ММГ

Резонансная кривая роторного ММГ в окрестности  частоты собственных колебаний (~ 5 кГц) приведена на рис. 3,б. В этой схеме амплитуда вынужденных угловых колебаний ротора при резонансной настройке составляет ~ 3°. Следует отметить острый характер резонанса, объясняющийся высокой добротностью кремниевого осциллятора. Указанное обстоятельство требует применения точной резонансной настройки, заключающейся в обеспечении и поддержании в процессе работы строгого совпадения частоты вибровозбуждения с собственной частотой осциллятора. В этом состоит одна из основных проблем, возникающих при разработке ММГ. В конструкциях разрабатываемых ММГ предусмотрены контуры подстройки частот.

4. Погрешности ММГ

Погрешности ММГ вызываются технологическими погрешностями изготовления элементов прибора, неидеальностью реализации электронных схем, температурными воздействиями (и обусловленными ими разбалансировками и изменением термоупругого состояния), вибрациями и ускорениями основания [4]. Основное влияние на точность ММГ рассматриваемых типов оказывают разбалансировки в плоскости, перпендикулярной плоскости чувствительных элементов (YOZ); в меньшей степени влияют разбалансировки в плоскости чувствительных элементов. Температурные погрешности ММГ вызываются изменением абсолютной температуры окружающей среды прибора, приводящим к температурным разбалансировкам и изменению динамических характеристик ММГ. Влияние изменения температуры в плоскостях XOY и XOZ на точность ММГ оказывается незначительным. Подробные качественные и количественные оценки составляющих угловой скорости дрейфа ММГ, математические модели теплового и технологического дрейфов прибора приведены в статье [4]. Отметим, что применение системы термостатирования прибора позволяет существенно (более чем на порядок) повысить точность ММГ.

В условиях эксплуатации на высокоскоростных и высокоманевренных  объектах ММГ подвергаются интенсивным ударным и вибрационным воздействиям. Как показывают расчеты перемещений, деформаций и напряжений в элементах конструкций ММГ при ударных воздействиях, выполненные с использованием модуля конечно-элементного анализа Pro/MECHANICA (версия 20), и практика испытаний артиллерийских снарядов с системами управления на основе микромеханических датчиков [5], приборы этого типа обладают высокой механической прочностью и способны выдерживать ударные воздействия в десятки тысяч . Наиболее опасные направления ударных воздействий для гироскопа конструкции, показанной на рис. 1, -направление вдоль оси X, для гироскопа, показанного на рис. 2, – вдоль оси Y. При конструировании ММГ, предназначенных для эксплуатации в условиях интенсивных ударных и вибрационных воздействий, предусматриваются меры для повышения прочностных  характеристик приборов. К ним относятся рациональное расположение упругих элементов и мест крепления, установка ограничителей перемещений элементов конструкции и др.

5. Проблемы конструирования ММГ

Следует отметить, что многие проблемы конструирования ММГ традиционны при разработках новых типов гироскопических приборов. Вместе с тем учет факторов масштабирования, использование планарных конструктивных схем и групповых микроэлектронных технологий изготовления приборов, расширение областей применения ММГ выдвигают новые проблемы конструкторско-технологического характера. К ним относятся:

·   выбор  расчетной схемы ММГ, наиболее полно  учитывающей факторы, влияющие на технические  характеристики прибора;

·   оптимизация параметров ММГ, обеспечивающих требуемые соотношения между собственными частотами колебательной системы и соответствующие формы колебаний;

·   подбор материалов с необходимыми физическими  характеристиками;

·   поиск  способов уменьшения влияния технологических, температурных и иных факторов на точность и стабильность характеристик приборов;

·   выбор  электронных элементов с минимальным  уровнем собственных шумов и  др.

Технологический маршрут изготовления ММГ включает три блока операций:

·  формирование многочипового рельефа кремниевой заготовки и многочиповой диэлектрической несущей платы;

·   сочленение несущей платы и кремниевой заготовки, удаление необработанного массива  кремния;

·   разделение сборки на отдельные элементы и их корпусирование.

Первый блок операций решает ключевую задачу изготовления ММГ – формирование на планарной  поверхности кремниевой пластины многочипового  рельефа осциллятора методом  реактивного ионно-плазменного травления. Функционально значимыми в этой технологической операции является точность воспроизведения размеров и степень вертикальности стенок вытравленных участков. При экспериментальной отработке операции плазмохимического травления в плазме, содержащей в качестве активного компонента ионы фтора, исследовались зависимости результатов от степени разрежения в камере травления, скорости протекания парогазовой смеси, удельной мощности разряда, парциального соотношения компонентов парогазовых смесей. Анализ и сравнение результатов проводились по скорости травления, степени анизотропии, стойкости маскирующего слоя к режиму травления и др. В оптимальных режимах скорость травления составила – 1 мкм/мин при анизотропии 1:20. Неоднородность рисунка по площади не превышала15 %. Изолирующая стеклянная пластина – основание ММГ – формируется методами вакуумного напыления и фотолитографии.

Основой сборочных  операций являются соединение кремниевой и стеклянной заготовок и удаление балластной массы кремния между  тыльной стороной кремниевой пластины и рельефом осцилляторов, сформированным на ее планарной поверхности. Возникающие здесь проблемы связаны с подбором состава стекла, обеспечивающего близкий к кремнию коэффициент температурного расширения и необходимую термостойкость, и с выбором металла токоподводки, сохраняющего свои характеристики при последующих термохимических обработках. Соединение кремниевой и стеклянной заготовок осуществляется методом электротермоком-прессионной сварки при температуре порядка 450 °С и разности потенциалов ~ 1 кВ. Балластный -кремний удаляется селективным травлением планарной стороны пластины до отделения балластной части кремния от структуры осцилляторов. Сложности заключаются в разработке состава селективного травителя, не взаимодействующего с -кремнием и элементами микросхем, но достаточно эффективно вытравливающего слой пористого кремния. Результатом рассмотренных операций является формирование кремниевых осцилляторов, приваренных контактными участками к опорным выступам стекла и шинам токоподводки.

Заключительная  операция технологического маршрута изготовления ММГ состоит в дисковой резке пластины на чипы и корпусировании чипов. Отметим, что у некоторой части экспериментальных образцов ММГ обнаруживается коробление кремниевых осцилляторов, вызванное, по-видимому, внутренними напряжениями в материале кремния. В настоящее время экспериментальные образцы ММГ, разрабатываемые АОЗТ "ГИРООПТИКА", доведены до стадии корпусирования [3], проводятся их испытания, корректировка конструкции и доработка технологических процессов.

6. Новые типы гироскопов

Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гиро-приборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором, но и искать принципиально новые идеи, позволившие решить проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта.

В настоящее  время известно более ста различных  явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические  задачи. В России и США выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения.

Поскольку прецизионные гироскопы используются в системах наведения стратегических ракет  большой дальности, во время холодной войны информация об исследованиях, проводимых в этой области, классифицировалась как секретная.

Перспективным является направление развития квантовых  гироскопов.

7. Использование гироскопа в смартфонах и игровых приставках

Значительное  удешевление производства МЭМС-гироскопов привело к тому, что они начинают использоваться в смартфонах и игровых приставках.

Появление МЭМС-гироскопа[11] в новом смартфоне Apple iPhone 4 открывает  новую революцию в 3D-играх и  в формировании дополненной реальности[12]. Уже сегодня, разные производители  смартфонов и игровых приставкок собираются использовать МЭМС-гироскопы в своих продуктах. Вскоре появятся приложения на смартфонах и игровых приставках, которые сделают компьютерный экран окном в другой — виртуальный мир. Например в 3D-игре, пользователь перемещая смартфон или мобильную игровую консоль, увидит другие стороны игровой — виртуальной реальности. Поднимая смартфон вверх — пользователь увидит виртуальное небо, а опуская вниз — увидит виртуальную землю. Вращая по сторонам света — может осмотреться вокруг — внутри виртуального мира. Гироскоп даёт программе данные о том, как ориентирован смартфон относительно реального мира, а программа связывает эти данные с виртуальным миром. Таким же образом, но уже не в игре, можно использовать гироскоп для формирования дополненной реальности.