Микромеханические системы и элементы
Шрифт:
Внимание, важно!
Для подвеса характерно практически полное отсутствие трения (при вакууме в подвесе 10– 8 мм рт. ст. постоянная времени выбега ротора за счет остатков газа имеет величину порядка 100 лет). Ничтожно малые величины возмущающих моментов сил, действующих на левитирующий в вакууме ротор, обеспечивают неограниченно долгое и надежное сохранение направления оси вращения гироскопа в пространстве.
Гироскопы с магниторезонансным подвесом ротора (МСГ) являются в определенной степени аналогами гироскопов с электростатическим подвесом ротора, в которых электрическое поле заменено магнитным, а бериллиевый ротор – ферритовым.
Перспективы развития
Кроме перечисленных выше типов гироскопов, проводятся работы над ионными,
1.2. МЭМС-гироскопы
В этом разделе рассмотрены МЭМС-датчики для измерения ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы). Данные устройства активно используются в системах управления летательными аппаратами, для обеспечения безопасности движения автомобилей, в сельскохозяйственной технике, изделиях специального назначения и др. Существует много различных решений по исполнению МЭМС-устройств. В их числе – одноосевой МЭМС-гироскоп с вибрирующим кольцом и трехосевой емкостной МЭМС-акселерометр.
1.2.1. Одноосевой МЭМС-датчик угловой скорости (гироскоп) с вибрирующим кремниевым кольцом
Кремниевый цифровой гироскоп разработан с учетом требований к низкой стоимости изделия и экономичному энергопотреблению для систем навигации и наведения нового поколения. Он имеет два режима вывода: аналоговый сигнал напряжения, линейно-пропорциональный угловой скорости, и цифровой по протоколу SPI. Режимы вывода – аналоговый или цифровой – выбираются пользователем при подключении датчика к системной плате. Отличительной особенностью гироскопа является применение технологии сбалансированного вибрирующего кольца в качестве датчика угловой скорости. Именно она обеспечивает надежную работу и точное измерение скорости вращения даже в условиях сильной вибрации. Возможны две основные конфигурации гироскопа, одна из них позволяет датчику измерять угловую скорость по оси, перпендикулярной к плоскости системной платы, другая дает возможность определять угловую скорость по оси, параллельной плоскости материнской платы. Сочетание в одном устройстве гироскопов обеих конфигураций дает возможность получить инерциальную систему, измеряющую угловую скорость по нескольким осям (любые сочетания тангажа, крена и рысканья летательного аппарата). Такие гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC-корпусах, которые можно устанавливать на системные платы.
Датчик состоит из пяти основных компонентов: кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring), основание из кремния (Pedestal), интегральная микросхема гироскопа (ASIC), корпус (PackageBase), крышка (Lid). На рис. 1.1 представлен вид основных детелей кремниевого МЭМС-сенсора.
Рис. 1.1. Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор. Основные детали
Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор, микросхема и кремниевое основание размещены в герметичной части корпуса с вакуумом, частично заполненным азотом. Это дает серьезные преимущества перед сенсорами, которые поставляются в пластиковых корпусах, имеющих определенные ограничения чувствительности в зависимости от уровня влажности. Диаметр кремниевого МЭМС-кольца равен 3 мм, толщина – 65 мкм. Его изготавливают методом глубокого реактивного ионного травления объемных кремниевых структур на пластинах. Кольцо поддерживается в свободном пространстве восемью парами симметричных спиц, которые исходят из твердого концентратора диаметром 1 мм в центре кольца. Процесс объемного травления кремния и уникальная технология изготовления кольца позволяют получить хорошие геометрические свойства, необходимые для точного баланса и термической стабильности сенсорного кольца.
В отличие от других гироскопов, в этом нет расхождений, создающих проблемы с интерференцией и трением. Указанные особенности существенно определяют стабильность датчика при колебаниях температуры, вибрации или ударе. Еще одним преимуществом подобной конструкции является ее «врожденный» иммунитет к ошибкам, которые датчики могут выдавать под влиянием ускорения, или «g-чувствительности». Пленочные приводы и преобразователи прикреплены к верхней поверхности кремниевого кольца по периметру и для получения электроэнергии подключены к связующим контактам в центре концентратора через треки на спицах. Это активирует, или «заводит», периметр кольца в рабочий режим вибрации на уровне Cos2 и с частотой 22 кГц, определяя радиальное перемещение, которое может осуществляться по причине первичного движения привода либо за счет действия кориолисовой силы, когда гироскоп вращается относительно его оси чувствительности, – см. рис. 1.2.
Рис. 1.2. Иллюстрация функционала гироскопа
Существуют одна пара приводов первичного движения, одна пара первичных снимающих преобразователей и две пары вторичных снимающих преобразователей. Комбинация сенсорной технологии и восьми вторичных снимающих преобразователей улучшает в датчике соотношение «сигнал/шум», что позволяет получать малошумящие устройства с отличными свойствами по угловому случайному дрейфу гироскопа, которые являются ключевыми для применения в сферах инерциальной навигации (например, стабильность наведения камеры или антенны).
Описанную схему можно сравнить с камертонной структурой, содержащей бесконечное количество камертонов, интегрированных в единую балансирующую вибрирующую кольцевую конструкцию. Это обеспечивает наиболее высокую стабильность измерения угловой скорости по времени, температуре, вибрациям и ударам для МЭМС-гироскопов этого класса. Концентратор в центре кольца сенсора установлен на цилиндрическом кремниевом основании диаметром 1 мм, которое связано с кольцом и ASIC с помощью эпоксидной смолы. Микросхема гироскопа имеет габариты 3x3 мм и изготовлена по технологии 0,35 мкм КМОП. ASIC и МЭМС-сенсор (кольцо) разделены физически, но соединены электрической цепью через золотые проводки. В связи с этим в подобной схеме отсутствуют внутренние каналы, что позволяет уменьшить шумовую нагрузку и получить отличные электромагнитные свойства. Керамический корпус датчика изготовлен по технологии LCC и представляет из себя многослойную оксидно-алюминиевую конструкцию с внутренними контактными площадками для «разварки», соединенными через корпус с наружными контактными площадками посредством многослойных вольфрамовых соединений.
Аналогичные интегральные соединения есть в крышке гироскопа, что обеспечивает размещение чувствительного элемента датчика внутри щита Фарадея и хорошие электромагнитные показатели гироскопа. При этом внутренние и наружные контактные площадки покрыты гальваническим путем – наложением слоем никеля и золота. Корпус включает в себя уплотнительное кольцо, на верхней части которого шовной сваркой приварена металлическая крышка. Сварка произведена электродом сопротивления, что создает полную герметичность конструкции.
В отличие от большинства МЭМС-корпусов, доступных сегодня на рынке, при изготовлении корпуса данного устройства используется специально разработанная шовная сварка, при которой исключена возможность образования комочков (брызг) сварки внутри гироскопа. При использовании других технологий сварки сварочные брызги могут попадать на нижние конструкции и негативно влиять на надежность гироскопа за счет воздействия на вибрирующий МЭМС-элемент, особенно в тех местах, где конструкции имеют небольшие зазоры. В корпусе также есть встроенный датчик температуры для обеспечения внешней термокомпенсации.