Исследование динамики и информационных характеристик двумерного микромеханического гироскопа роторного типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Овчинникова, Наталья Анатольевна

• Овчинникова, Наталья Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Овчинникова, Наталья Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. Обзор современного состояния развития микромеханических гироскопов и формулировка основных задач исследования.

2. Обобщенная модель динамики микромеханических гироскопов роторного типа.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Динамика взаимодействия вращательного и поступательного движений чувствительного элемента.

2.3 Модель динамики микромеханического гироскопа в осях ротора.

2.4 Модель динамики микромеханического гироскопа в осях корпуса прибора

2. 5 Модели моментов, создаваемых электростатической системой возбуждения.

Основные результаты по главе 2.

3. Динамика и информационные характеристики двумерного микромеханического гироскопа роторного типа.

3.1 Структура контура вторичных колебаний изолированного канала ММГ.

3.2 Динамика изолированного канала ММГ.

3.3 Исследование характеристик двумерного ММГ с учетом взаимосвязи каналов вторичных колебаний.

Основные результаты по главе 3. :.

4. Стабилизация информационных характеристик микромеханического гироскопа роторного типа.

4.1 Постановка задачи стабилизации информационных характеристик микромеханических гироскопов.

4.2 Стабилизация амплитуды первичных колебаний.

4.3. Управление частотой расстройки первичных и вторичных колебаний

Основные результаты по главе 4.

5. Исследование влияния инструментальных погрешностей изготовления чувствительных элементов на характеристики ММГ.

5.1. Погрешности, обусловленные статической и динамической неуравновешенностью ротора.

5.2. Погрешности, обусловленные конструктивным перекосом осей.

5.3. Оценка погрешностей, обусловленных статической и динамической неуравновешенностью ротора и перекосом его главной оси.

Основные результаты по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование динамики и информационных характеристик двумерного микромеханического гироскопа роторного типа»

Актуальность работы. Перспективы современного приборостроения связаны с разработкой приборов обладающих малыми массой, габаритами, низкими себестоимостью и энергопотреблением и достаточно высокой надежностью. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют микромеханические гироскопы (ММГ) и акселерометры (ММА), производство которых осуществляется с использованием технологий, развитых в последние десятилетия в твердотельной микроэлектронике.

ММГ и ММА входят в класс так называемых интегральных преобразователей, т.к. электромеханические узлы приборов этих типов формируются из неметаллических материалов (монокристаллический кремний, плавленый кварц, карбид кремния и др.) методами фотолитографии и изотропного или анизотропного травления вместе с элементами электроники возбуждения, датчиками съема и преобразования полезного сигнала, элементами формирования обратных связей и т.д. [1]. Единство материала и технологий микроэлектроники позволяет создавать приборы, в которых осуществляется интеграция физико-конструктивных элементов. С этой точки зрения все приборы, в которых осуществляется интеграция воспринимающего измеряемую величину (чувствительного) элемента, всех преобразующих элементов, а также элементов внутренней электроники можно назвать интегральными, т. к. для их изготовления используются технологии микроэлектроники. Наравне с понятием «интегральный прибор (преобразователь)» получили распространение термины: «микроэлектронно-механическая система» (МЭМС), «механоэлектрические преобразователи» и «микромеханические приборы (преобразователи)».

Область применения микромеханических инерциальных датчиков широка. Микромеханические датчики первичной информации позволяют создавать малогабаритные инерциальпые навигационные системы, интегрированные со спутниковыми навигационными системами (GPS,

ГЛОНАСС), обеспечивающими необходимую точность определения параметров ориентации и координат подвижных объектов: дистанционно-пилотируемых летательных аппаратах, морских судов, наземных транспортных средств, робототехнических комплексов, в медицинской технике, в оборонных областях. Иностранные фирмы, такие как Analog Devices, Kearfott, Murata, Mitsubushi, Systron Donner, St. Microelectronics, Rockwell International, British Aerospace, Bosh предлагают потенциальным потребителям солидный перечень микромеханических приборов для использования в ракетно-космической технике, авиации, автомобильной промышленности, медицине и для других применений.

В России также накоплен солидный опыт проектирования и производства микромеханических датчиков давления, температуры и акселерометров (НИИФИ, г. Пенза; ОАО «РПКБ», г. Раменское, ОАО НПП «Темп-Авиа» и др.). Исследования в области микромеханических гироскопов ведутся в ИПМ АН РФ, в Институте проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов), в НИИ ПМ им. акад. В. И. Кузнецова, в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Элктроприбор» (г. С.Петербург), в ЗАО «Гирооптика», а так же в следующих ВУЗах МГТУ им. Баумана, МИЭТ, СПбГУАП, СПбГЭТУ и др. Большое внимание уделяется исследованиям микромеханических систем и датчиков такими отечественными авторами как Агильдеев В.М., Дрофа В.Н., Евстифеев М.И., Лестев A.M., Лукьянов Д.П., Матвеев В.А., Неаполитанский A.C., Пешехонов В.Г., Пономарев В.К., Попова И.В., Распопов В.Я., Северов Л.А., Хромов Б.В. Среди различных разрабатываемых схем ММГ особое место занимают двумерные ММГ, позволяющие без существенного увеличения габаритов конструкции обеспечить две оси чувствительности. Конструкции таких гироскопов, реализуемых по кремниевой технологии МЭМС разработаны в университете Berkley (США), Институте технологии Himeji (Япония), Институте технологии Samsung (Корея). Оригинальная конструкция двумерного ММГ роторного типа разработана НИИ КП, СПбГУАП, СПбГЭТУ в ходе выполнения НИР № 84/1-1030-97/863-Ц «Разработка и расчет конструкций микромеханического гироскопа».

Именно эта перспективная схема двумерного ММГ роторного типа является предметом исследования данной работы.

Целью диссертационной работы является исследование динамики и информационных характеристик двумерного ММГ роторного типа реализуемого по кремниевой технологии МЭМС, оценка основных погрешностей прибора и путей повышения точности.

Основные задачи исследования. Поставленная цель достигается решением совокупности задач, из которых основными являются следующие:

- разработка обобщенной математической модели микромеханических гироскопов роторного типа, их основных элементов и структур (электростатические драйверы, емкостные преобразователи);

- разработка моделей формирования квадратурных погрешностей ММГ роторного типа, обусловленными основными конструктивными и технологическими факторами (статическая, динамическая неуравновешенности ротора, конструктивный перекос осей);

- исследование основных информационных характеристик, обеспечивающих компромисс между полосой частот пропускания и масштабным коэффициентом преобразования;

- решение задачи стабилизации информационных характеристик ММГ роторного типа. разработка программы моделирования основных информационных характеристик ММГ роторного типа и оценка основных погрешностей;

Методы исследования. В работе используются методы аналитической механики, теории систем автоматического управления, теории систем с амплитудной модуляцией, теории нелинейных колебаний, численные методы решения дифференциальных уравнений с использованием программного обеспечения, разработанного в среде МшЬаЬ.

Научная новизна.

1. Впервые получена обобщенная модель динамики микромеханических гироскопов роторного типа (ММГ-Ш1 типа), позволяющая:

- вести исследования одномерных и двумерных ММГ-ЫК типа;

- описать динамику ММГ-ЛЯ типа в осях жестко связанных с ротором, что необходимо при расчете системы упругого подвеса;

- описать динамику ММГ-ИЯ типа в осях корпуса прибора, что требуется при оценки основных информационных характеристик гироскопа;

- учесть влияние анизотропии параметров и взаимосвязей контуров вторичных колебаний на выходные характеристики прибора;

- исследовать влияния контура первичных колебаний ротора на контуры вторичных колебаний;

- исследовать динамику взаимодействия вращательного и поступательного движений чувствительного элемента при линейных скоростях и ускорениях движения корпуса прибора.

2. Получены модели формирования основных составляющих квадратурных погрешностей двумерных и одномерных ММГ-ГЖ типа;

3. Получены выражения масштабных коэффициентов преобразования измерительного канала двумерного ММГ для вариантов съема информации по синфазной и квадратурной составляющим вторичных колебаний и условия их стабилизации;

4. Получены точные передаточные функции для огибающих квадратурной и синфазной составляющих колебаний измерительного канала ММГ-КИ типа как системы с амплитудной модуляцией, так и аппроксимации для инженерной практики;

5. Поставлена и решена задача стабилизации информационных характеристик ММГ введением контуров стабилизации амплитуды первичных колебаний и управления частотой расстройки первичных и вторичных колебаний;

6. Разработана в среде Matlab модель ММГ, позволяющая вести анализ информационных характеристик, исследовать оценку погрешностей, влияние анизотропии каналов и их взаимосвязей.

Практическая значимость работы.

Основные результаты работы, состоящие в разработке обобщенной модели динамики микромеханических гироскопов роторного типа, математических моделей ' формирования квадратурных погрешностей гироскопов, в разработке структуры контура возбуждения и стабилизации амплитуды первичных колебаний, в оценке масштабного коэффициента преобразования и полосы частот пропускания, нашли применение при создании опытного образца ММГ на предприятии ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (НИР х/д №464 ГРО1200508742). Кроме того, основные результаты работы внедрены в учебный процесс по специальности 160402 в ГУАП.

Апробация работы.

Основные результаты докладывались и обсуждались: на VIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» 2006 г. (Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»); на международном симпозиуме "Аэрокосмические приборные технологии", 2-4 июня 2004г., Санкт-Петербург (ГУАП); на международной конференции "Physics and Control" 24-26 августа 2005 г. (Санкт Петербург); на XV Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», сентябрь 2006 г. (Алушта, Украина), на 8, 10, 11, 12 научной сессии ГУАП, 2005, 2007-2009 гг., Санкт-Петербург (ГУАП), на XXV Межведомственной НТК «50 лет космодрому «Плесецк»: история создания, этап становления и перспективы развития», 14-15 июня 2007 г. (Мирный, Россия), на Международном молодежном научно-производственном форуме «Будущее высоких технологий и инноваций за молодой Россией», проводимого в рамках XV Международной выставки-конгресса «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции», март 2009 г., Санкт-Петербург.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обобщенная модель динамики микромеханических гироскопов роторного типа;

2. Алгоритм анализа основных информационных характеристик микромеханических гироскопов роторного типа, включающих масштабный коэффициент преобразования и полосу частот пропускания для различных схем обработки вторичных колебаний;

3. Оценка влияния взаимосвязей измерительных каналов на динамику двумерного ММГ;

4. Методика стабилизации информационных характеристик ММГ введением контуров стабилизации амплитуды первичных колебаний и управления частотой расстройки первичных и вторичных колебаний;

5. Оценка квадратурных составляющих погрешностей двумерного ММГ, обусловленных влиянием контура первичных колебаний на измерительные каналы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Овчинникова, Наталья Анатольевна

Основные результаты работы формулируются следующим образом:

1. Разработана обобщенная модель динамики микромеханических гироскопов роторного типа, позволяющая ввести исследование как двумерных, так и одномерных измерителей. Модель динамики ММГ роторного типа составлена как в осях, связанных с ротором, так и в осях, связанных с корпусом прибора, что дает возможность, с одной стороны, вести • исследование упругого подвеса чувствительного элемента, так и исследование информационных характеристик. Модель динамики двумерных ММГ роторного типа учитывает:

- динамику взаимодействия вращательного и поступательного движения чувствительного элемента в условиях действия линейных ускорений;

- взаимосвязи измерительных каналов гироскопа;

- анизотропию измерительных каналов гироскопа, приводящую к образованию дополнительных моментов воздействия системы возбуждения на измерительные каналы.

2. Исследована структура возмущающих моментов в двумерном ММГ роторного типа, обусловленных статической и динамической неуравновешенностью ротора и конструктивным перекосом главной оси, в условии действия линейных и угловых ускорений. Показано, что составляющая этих моментов, зависящих от углового ускорения первичных колебаний, приводит к формированию квадратурных погрешностей двумерного ММГ-ЯЯ типа.

3. Исследованы моменты, воздействующие на ротор со стороны электростатической системы возбуждения. Показано, что помимо основного момента, обеспечивающего возбуждение первичных колебаний, система возбуждения приводит к образованию дополнительных перекрестных связей измерительных каналов гироскопа.

4. Для оценки основных информационных характеристик измерительного канала ММГ, включающих масштабные коэффициенты преобразования и полосу частот пропускания при съеме информации по квадратурной и синфазной составляющим вторичных колебаний, получены точные передаточные функции как для системы с амплитудной модуляцией. Для низкочастотной области, определяющей выходные характеристики гироскопа, получены инженерные аппроксимации частотных.характеристик, полностью совпадающие с точным их описанием.

5. Для основного варианта съема информации по квадратурной составляющей вторичных колебаний решены задачи стабилизации амплитуды первичных колебаний ротора. Доказана возможность управления частотой расстройки первичных и вторичных колебаний ММГ при параллельной работе в системе возбуждения гироскопа, использующей датчик момента гребенчатой структуры, контуров автогенерации, стабилизации амплитуды колебаний и регулировки частоты расстройки.

6. Разработан программный комплекс исследования двумерного ММГ роторного типа в среде МаИ,аЬ, позволяющий:

- построение логарифмических амплитудных и фазовых частотных характеристик измерительных каналов гироскопа при их описании как систем с амплитудной модуляцией;

- сформировать схему моделирования системы возбуждения гироскопа и стабилизации параметров первичных колебаний;

- исследовать влияние анизотропии параметров измерительных каналов и их взаимосвязей на выходные сигналы гироскопа;

- управлять частотой расстройки первичных и вторичных колебаний;

- провести оценку основных погрешностей ММГ, в том числе и квадратурных составляющих, обусловленных статической и динамической неуравновешенностью ротора и перекосов его главной оси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Овчинникова, Наталья Анатольевна, 2011 год

1. Бабур, Н. Направления развития инерциальных датчиков / Н. Бабур, Дж. Шмидт //Гироскопия и навигация. 2000. № 1.С. 3-15.

2. Лестев, A.M., Современное состояние теории и практических разработок микромеханических гироскопов / A.M. Лестев, И.В.Попова // Гироскопия и навигация. 1998. №3. С. 81-94.

3. Северов, Л.А. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития / Л.А. Северов, В.К. Пономарев, А.И. Панферов и др. // Изв. вузов. Приборостроение 1998. Т.41. №1-2. С.57-73.

4. Евстифеев, М.И. Состояние разработок и перспективы развития микромеханических гироскопов / М.И. Евстифеев // Навигация и управление движением. Сб. докладов II научно-технической конференции молодых ученых, С-Петербург. 2000. С.54-71.

5. Распопов, В.Я. Микромеханические приборы: учеб. пособие / В.Я. Распопов; ТулГУ. Т., 2002. С. 392.

6. Inertial Instruments: Where to Now? / N. Barbour, et al. // 1st Saint Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation. 1994. 1122 p.

7. Лестев, A.M. Особенности микромеханических гироскопов / A.M. Лестев, И.В. Попова, М.И. Евстифеев и др. // Микросистемная техника. 2000. №4. С. 16-18.

8. Агильдиев, В.М. Комбинированный микромеханический гироскоп-акселерометр для инерциальных измерительных систем / В.М. Агильдиев, В.Н. Дрофа // Космонавтика и ракетостроение. 1995. №5. С.79-83.

9. Micro-Electromechanical Instrument and Systems Development at Draper Laboratory / N.Barbour et al. // 3rd Saint, Petersburg International Conference of Integrated Navigation Systems. 1996. part 1. 3-10 p.

10. Vibrating gyroscope consisting of three layers of polysilicon thin films / T.Tsuchiya et al. // Sensors and Actuators. 82. 2000.114-119 p.

11. Mochida, Y. A micromachined vibrating rate gyroscope with independent ' beams for the drive and detection modes / Y. A Mochida, M.Tamura,

12. K.Ohwada // Sensors and Actuators. 80. 2000. 170-178 p. 13.Improved Rate Gyroscope Designs Designated for Fabrication by Modern Deep SiliconEtching / W.Geiger et al. // Symposium Gyro Technology, Germany. 1997. 2.0-2.8 p.

13. Vandemeer, J.E. Nodal Design of Actuators and Sensors (NODAS) / J.E.Vandemeer, // Technical Report. Department of Electrical and Computer Engineering Carnegie Mellon University. USA. 1998: 71' p.

14. Ayazi, F. High Aspect-ratio Dry-Release Poly-Silicon MEMS Technology for Inertial-Grade Microgyroscopes / F.Ayazi, K.Najafi // Position Location and Navigation Symposium. San Diego. California. 2000'. 304-308 p.

15. A Resonating Comb/Ring Angular Rate Sensor / S.Zarabadi et al. // Delphi Delco Electronics Systems, Sensors and Actuators. 1999 (SP-1443)

16. Hopkin, I. Performance and Design of Silicon Micromachined Gyro / Hopkin I. //Symposium Gyro Technology. Germany. 1997. 1.0-1.10 p.

17. A Second Generation Silicon Ring Gyroscope / C.P.Fell et al. // Symposium Gyro Technology, Germany. 1999.

18. Dual input axis angular rate sensor University of California at Berkeley (D:\INTERNET\Mems\Gyro\Berkeley\HH96.pdf)

19. US5203208 Disk-shaped bulk micromachined gyroscope with vacuum sealing / T. Fujita et al/ // Department of Electronics, Himeji Institute of Technology. Japan. Sensors and Actuators. 82. 2000. 198-204 p.

20. Embedded micromechanical devices for the monolithic integration of MEMS with CMOS / J. H.Smith et al. // Proceedings of International Electron Devices Meeting. Washington. DC. USA. December 10-13. 1995. IEEE. 609-12 p.

21. Teegarden, D. How to model and simulate gyroscope systems / D. Teegarden, G.Lorenz, R.Neul // IEEE Spectrum. July 1998. v.35. №7.

22. A.C. № 18768. Россия. Микромеханический вибрационный гироскоп / М.И.Евстифеев, С.Г.Кучерков, Л.П.Несенюк и др., 2001.

23. Разработка и исследование микромеханического гироскопа с двумя осями чувствительности: Отчет о НИР (заключит.) / Санкт-Петербургский Государственный университет аэрокосмического приборостроения; рук. Л.А. Северов: Г-53-01-571-1. СПб., 2000. 62 с.

24. Северов, Л.А. Механика гироскопических систем / Л.А. Северов. М.: МАИ, 1997. 212 с.

25. Парселл, Э. Электричество и магнетизм т2./ Э. Парселл. М.: Наука, 1983. 415 с.

26. Солодовников, В.В. Основы Автоматического регулирования /В.В. Солодовников. М: Машгиз, 1954. 117 с.

27. Бесекерский, В.А. Теория систем автоматического регулирования / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. М.: 1966.

28. Овчинникова, Н.А. Обобщенная модель динамики микромеханических гироскопов роторного типа / J1.A. Северов, Н.А. Овчинникова // Гироскопия и навигация. 2007. №4.

29. Овчинникова, Н.А. Динамические модели двумерного микромеханического гироскопа / JI.A. Северов, Н.А. Овчинникова // Сб. докладов Международного симпозиума аэрокосмических приборных технологий (АПТ '04) / ГУАП. СПб. 2003.

30. Пешехонов, В.Г. Гироскопы XXI века / В.Г. Пешехонов // Гироскопия и навигация. 2003. № 4. С. 5-18.

31. Овчинникова, Н.А. Микромеханические электростатические драйверы / Н.А. Овчинникова // Сб. докладов XVI Международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» / Алушта. 2007.

32. Lynch, D.D. Coriolis Vibratory Gyros /D.D. Lynch // Симпозиум notгиротехнологии, Штутгарт. 1998.

33. A study on resonant frequency and Q factor tunings for MEMS vibratory gyroscopes Jeong Ch., Seok S. et al. // Journal of Mechanics and Microengineering, 14 (2004) 1530-1536 p.

34. Murphy, H. J. Micromachined rate sensor comb drive device and method. European Patent Office, Patent No.: EP 0704674 A2, 1996.

35. Compensated integrated micromachined yaw rate sensor with quadrature switching / Musaleum et al. Patent No.: US 6439050B1, 2002.

36. Евстифеев, М.И. Состояние разработок и перспективы развития микромеханических гироскопов / М.И. Евстифеев // Навигация и управление движением. СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор». 2000. С. 54-71.

37. Евстифеев, М.И. Классификационные признаки конструкций микромеханических гироскопов / М.И. Евстифеев // Гироскопия и навигация. 2004. № 3(46). С. 30-37.

38. А.с. №18768 Россия. Микромеханический вибрационный гироскоп / М.И. Евстифеев, С.Г. Кучерков, Л.П. Несенюк и др. // 2001.

39. Боголюбов, Н.Н. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний / Н.Н. Боголюбов, Ю.А. Митропольский. М.: Наука. 1974.

40. Будкин, B.JI. Разработка кремниевых датчиков первичной информации для систем навигации и управления/ B.JI. Будкин, В.А. Паршин, С.В. Прозоров // Гироскопия и навигация, 1998. №3(22). С.94-101.

41. Пат. RU 2178548 С1, 20.01 Россия, Микромеханический вибрационный гироскоп / Бусняк А.А., Глыбин И.Г., Капустин А.В., Неаполитанский А.С., Хромов Б.В. Патент .2002.

42. Беляева, Т.А. Подавление квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе RR-типа с помощью электродов, расположенных над зубцовой зоной/ Т.А. Беляева, Я.А. Некрасов, Я.В. Беляев, С.В. Багаева// Гироскопия и навигация. 2008. №1.

43. Stephen, Beeby MEMS Mechanical Sensors/ Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White. ARTECH HOUSE, INC, 2004