Кольцевой микромеханический гироскоп тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат наук Косторной Андрей Николаевич

• Косторной Андрей Николаевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Косторной Андрей Николаевич

Перечень принятых сокращений

Введение

Глава 1. Погрешности кольцевого микромеханического гироскопа

1.1. Описание конструкции, структурных и функциональных схем

13

кольцевого микромеханического гироскопа

1.2. Влияние расщепления резонансной частоты на качество работы

23

электроники

1.3. Потери на демпфирование газовой среды

1.4. Дефекты в конструкции, возникающие при технологическом

37

изготовлении ЧЭ

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Балансировка чувствительного элемента кольцевого

43

микромеханического гироскопа

2.1. Причины возникновения расщепления резонансной частоты ЧЭ КМГ

2.2. Методы балансировки ЧЭ КМГ

2.3. Расчет массы удаляемого материала с поверхности кольца ЧЭ

2.4. Определение положения формы колебаний ЧЭ

2.5. Технологический маршрут балансировки ЧЭ

2.6. Аппаратура для балансировки ЧЭ

2.7. Результаты балансировки ЧЭ

2.8. Выводы по главе

Глава 3. Влияние демпфирования газовой среды на выходные

69

характеристики кольцевого микромеханического гироскопа

3.1. Влияние демпфирования газовой среды на целевые показатели КМГ

3.2. Механизмы влияния газовой среды на работу КМГ

Стр.

3.3. Срывы колебаний и второй резонансной пик АЧХ

3.4. Определение зависимости резонансной частоты, её расщепления, добротности и разнодобротности от степени вакуумирования

3.5. Потери энергии в колебательной системе и второй резонансный

пик АЧХ

3.6. Зависимость расщепления резонансной частоты, добротности и угла расположения «тяжелой» оси от температуры при внутрикорпусном давлении 50 мм.рт.ст

3.7. Влияние демпфирования газовой среды на температурную чувствительность прибора

3.8. Сохраняемость внутрикорпусного давления в КМГ

3.9. Выводы по главе

Глава 4. Влияние конструктивных дефектов изготовления кольца и ламелей чувствительного элемента на точностные характеристики кольцевого микромеханического гироскопа

4.1. Причины появления конструктивных дефектов в ЧЭ

4.2. Влияние температуры на ЧЭ, лишенный каких-либо дефектов в геометрии

4.3. ЧЭ, имеющий дефект в виде «прогибов» ламелей

4.4. Расчет механических напряжений в слое Si-SiO2

4.5. Вертикальность стенок

4.6. Результаты натурных испытаний

4.7. Влияние дефектов на прецессию гироскопа, установленного на неподвижном основании

4.8. Выводы по главе

Общие выводы и заключение

Список литературы

Перечень принятых сокращений

ЧЭ - чувствительный элемент

ММГ - микромеханический гироскоп

КМГ - кольцевой микромеханический гироскоп

ТВГ - твердотельный волновой гироскоп

МЭМС - микроэлектромеханическая система

ШСВ - широкополосная случайная вибрация

ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты

ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения

АЧХ - амплитудно - частотная характеристика

ФЧХ - фазо-частотная характеристика

АФЧХ - амплитудно - фазовая частотная характеристика

ЭДС - электродвижущая сила

ООС - отрицательная обратная связь

ИЭ1 - исполнительного элемента системы возбуждения

ДВ1 - датчика вибрации системы возбуждения

ИЭ2 - исполнительного элемента системы измерения

ДВ2 - датчика вибрации системы измерения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кольцевой микромеханический гироскоп»

Введение

Актуальность работы. Активное исследование задачи определения угловой ориентации относится к XVIII-XIX векам и связано с активным развитием механики. Это направление отражено в работах и исследованиях И. Боненбергера, С. Пуассона, Уолтер Р. Джонсона, П.-С. Лапласа, Л. Фуко и др. Были предложены различные типы конструкции гироскопа в кардановом подвесе, а в 1851 г. Л. Фуко разработан гироскоп для измерения угловой скорости вращения Земли [1]. Предложенные ими типы механических гироскопов стали прообразом целого класса гироскопов. Их идеи нашли практическое применение при создании вибрационных [2-4], микромеханических [5-12] и других гироскопов. Направление исследований теории вибрационных твердотельных гироскопов было заложено в работах Bryan G.H., показавшего, что скорость вращения стоячей волны в тонком кольце, совершающем изгибные колебания, меньше скорости вращения самого кольца. Широкое развитие идеи создания вибрационных гироскопов связано с работами D.Lynch, В.Ф. Журавлева, Д.М. Климова и т.д. [13-16].

Начиная с 1960-х годов начались научно-технические работы в области разработки миниатюрных датчиков и исполнительных устройств различного назначения на основе кремния. Проведение исследований по созданию специальных материалов и технологий микроэлектроники позволило разработать миниатюрные конструкции на одном кристалле, объединяющем чувствительные элементы, преобразующие и электронные компоненты. Широкий спектр этих датчиков относят к классу микроэлектромеханических систем (МЭМС).

МЭМС, в частности гироскопы и акселерометры, относятся к классу инерциальных датчиков, диапазон применения которых очень широк. С 1990-х годов они нашли применение в медицине и гражданской промышленности -автомобилестроении, роботостроении и т.д. В последующем,

микромеханические приборы получили применение в изделиях военной техники и до сих пор спрос на МЭМС продолжает расти. На данный момент потребность в МЭМС очень велика: от подушек безопасности и антиблокировочных автомобильных устройств до интегрированных со спутниковыми навигационными системами малогабаритных инерциальных навигационных систем, обеспечивающих определение параметров ориентации и навигации летательных аппаратов, надводных и подводных аппаратов, наземных транспортных средств. Активное развитие микромеханических технологий, расширение области применения, большой объем проводимых исследований позволили значительно увеличить объём мирового рынка МЭМС и в 2017 году достигнуть 21 млрд. долл. Также были значительно улучшены точностные характеристики, в частности, нестабильность нулевого сигнала достигла уровня 0,1... 10 °/час.

Среди российских предприятий и институтов, работающие над созданием МЭМС, необходимо отметить: АО «Инерциальные технологии «Технокомплекса», ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», МГТУ им. Н.Э. Баумана, ОАО «Гирооптика», филиал ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова», Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники». Среди зарубежных фирм-разработчиков известны: «Murata Manufacturing Co., Ltd.» (Япония), «Honeywell, Inc.» (США), «Analog Devices, Inc.» (США), British Aerospace Systems and Equipment (BASE) (Великобритания), «Silicon Sensing Systems Ltd.» (Англия), «MTMirosystems CO.,Ltd.» (Китай). В целом, создание ММГ в РФ находится на этапе разработки опытных образцов и мелкосерийного производства.

В настоящее время в АО «ИТТ» разработан и выпускается твердотельный вибрационный кольцевой микромеханический гироскоп (КМГ). В ходе выполнения диссертационной работы и проведения серийного освоения были значительно улучшены параметры гироскопа, в частности, нестабильность нулевого сигнала прибора была уменьшена с 20.30 °/час до 3.7 °/час, тренд

нулевого сигнала и температурная чувствительность были уменьшены более чем в 10 раз.

Для решения задачи улучшения характеристик КМГ необходимо было проведение тщательного анализа конструкции гироскопа, анализ используемых технических решений и использование математического моделирования. Были проанализированы параметры, характеризующие точностные и другие характеристики гироскопа.

Одним из параметров, характеризующем точность прибора, является дрейф волновой картины в запуске. Для уменьшения дрейфа волновой картины необходимо минимизировать потери энергии в колебательной системе. Эти потери возникают из-за механических напряжений и конструктивных дефектов, возникающих при изготовлении чувствительного элемента (ЧЭ - кольцо с упругими поддерживающими перемычками (ламелями) и напыленными на его поверхность обмотками), приводя к уменьшению его добротности. Увеличение точности КМГ препятствует то, что уменьшение только одной погрешности не приведет к желаемому результату. Тем самым необходим комплексный подход к решению данной проблемы. Необходимо учитывать не только влияние технологических и конструктивных дефектов, но и влияние газовой среды на работу прибора.

Повышению точностных характеристик КМГ в условиях широких температурных и механических воздействий посвящена данная диссертационная работа. Поэтому развитие и создание КМГ в РФ с нестабильностью нулевого сигнала не более 10 °/час является актуальной задачей. Актуальность работы также связана с развитием технологии информационных, управляющих, навигационных систем и микросистемной техники.

Цель диссертации заключается в повышении точностных характеристик КМГ за счет выявления причин ошибок и их устранения путем введения новых конструктивных и технологических решений. Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

1. Проведен анализ технологических факторов, влияющих на точностные характеристики КМГ в заданном диапазоне температур [-60 °С...+60 °С].

2. Создана методика снижения расщепления собственной резонансной частоты методом лазерной абляции в области центрального сечения кольца.

3. Определено влияние газового демпфирования на характеристики КМГ и проведен расчет рабочего диапазона давлений.

4. Установлено влияние технологических факторов на параметры ЧЭ и причины возникновения деформаций ламелей, которые передают механические напряжения на кольцо ЧЭ, проведен численный анализ их влияния на точность КМГ.

Методы исследований

Для решения поставленных задач в работе использовались методы и аппарат теоретической механики, теории колебаний, цифровой обработки информации, методы численного моделирования, технологические и конструкторские методы.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

1. Разработана оригинальная методика балансировки кремниевого кольцевого ЧЭ методом лазерной абляции, позволяющая снизить расщепления собственной частоты по второй форме колебаний от 30 Гц до 0,01 Гц.

2. Найдено критическое давление газовой среды для данной конструкции ЧЭ, при котором достигается отсутствие скачкообразного изменения амплитуды колебаний, несимметричности АЧХ ЧЭ, появления второго резонансного пика на АЧХ ЧЭ при изменении температуры внешних воздействий.

3. Проведены теоретические и экспериментальные оценки изменения синфазной и квадратурной составляющей сигнала, а также влияние толщины осаждаемого материала и подложки, имеющие разные температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР), на дрейф нулевого сигнала.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработана, апробирована и внедрена в технологический процесс серийного производства КМГ методика и технология балансировки ЧЭ. Изготовлена, настроена и внедрена установка для балансировки ЧЭ.

2. Изучено влияние газовой среды на точностные и динамические характеристики КМГ. Определен рабочий диапазон давления газовой среды, обеспечивающий стабильные выходные характеристики КМГ и повышение точности.

3. Выработанные в диссертации рекомендации внедрены в производстве при серийном изготовлении КМГ в АО «ИТТ»

4. Реализован серийный выпуск КМГ с точностными характеристиками, улучшенными более чем в 3 раза.

Положения, выносимые на защиту

1. Уменьшение расщепления собственной резонансной частоты до величины 0,01 Гц (начальная величина может составлять до 30 Гц) достижимо с использованием лазерного удаление материала с определением мест удаления на кольце ЧЭ по формуле, разработанной автором.

2. Вязкость газовой среды негативно влияет на точностные параметры КМГ. Её влияние минимально при давлении ниже 70 мм.рт.ст.

3. Механические напряжения, возникающие при изготовлении ЧЭ, при действии отрицательных температур вызывают увеличение синфазной и квадратурной составляющей выходного сигнала, которые приводят к увеличению дрейфа волновой картины и ухудшению точностных характеристик КМГ.

Степень достоверности научных и практических результатов подтверждается сопоставлением аналитических результатов и данных, полученных в ходе моделирования и расчетов, а также полученных в результате проведенных экспериментальных исследований с опытной партией приборов.

Внедрение результатов. Полученные в диссертации результаты внедрены в АО «ИТТ» при разработке и серийном производстве микромеханических гироскопов и приборов на их основе.

Личный вклад автора состоит в разработке оригинальной методики лазерной балансировки ЧЭ, позволяющей уменьшить расщепление собственной резонансной частоты, и экспериментальном подтверждении ее эффективности. Автором проведено исследование влияния демпфирования газовой среды на работу КМГ и определение рабочего диапазона давлений. Выявлены причины появления технологических погрешностей изготовления ЧЭ, проведена оценка их влияния на точностные характеристики КМГ, даны рекомендации по их уменьшению, а также выработке новых конструкторских и технологических решений.

Апробация результатов

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференция «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами» (Москва, 2012); научно - техническом семинаре «Системы управления, стабилизации, навигации, ориентации и их базовые элементы», посвященному 75-летию кафедры ИУ-2 «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Баумана (Москва, 2013); 2-й Всероссийской научно-технической конференция «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами» (Москва, 2015); ХЫ Академических чтениях по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королева и других выдающихся отечественных ученых - пионеров освоения космического пространства (Москва, 2017); 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами» (Москва, 2017).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 работах, из них 3 статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК РФ, общим объемом 3,1 п.л.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, в тексте имеется 80 рисунков, 8 таблиц, список литературы содержит 88 библиографических наименований.

В первой Главе приводится описание разработанного при участии автора в АО «ИТТ» КМГ. Описана его конструкция и принцип работы. Представлены наиболее значимые погрешности и дефекты изготовления ЧЭ, наличие которых приводит к ухудшению точности КМГ. Также указаны возможные пути уменьшения некоторых из них.

Описано какие ошибки будут возникать при работе сервисной электроники из-за наличия такого дефекта, как расщепление резонансной частоты. Проведен численный модельный расчет механических потерь в конструкции КМГ и выявлены наиболее значимые, уменьшение которых приведет к увеличению добротности и точности КМГ.

Во второй Главе описаны причины, приводящие к возникновению расщепления резонансной частоты. Анализ модели погрешностей показывает, что на величину расщепления частоты наибольшее влияние оказывает 4-я гармоника упруго-массового дисбаланса при разложении в ряд Фурье. Для проведения операции по уменьшению расщепления частоты разработан специальный балансировочный стенд. Изложены техпроцесс и аспекты практической реализации методики балансировки ЧЭ. Проведены масштабные экспериментальные работы по отработке и определения ряда зависимостей. Представлены зависимости изменения резонансной частоты, ее расщепления, движение угла расположения «тяжелой» оси и изменение величины синфазной и квадратурной составляющих выходного сигнала по каналу измерения от величины удаляемых масс. Весь процесс балансировки ЧЭ может быть легко автоматизирован и занимает не более 1 часа. Стенд внедрен в техпроцесс при серийном изготовлении КМГ.

В третьей Главе указано на то, что для повышения точности КМГ, помимо технологических улучшений, необходимо уменьшать потери в конструкции прибора (потери о газовую среду, термоэластичное демпфирование) для повышения добротности колебательной системы. Одной из основных потерь является демпфирование газовой среды (воздуха). Приведен анализ влияния затухающих колебаний на точность датчика. Проведены исследования по определению зависимостей изменения добротности, разночастотности, резонансной частоты, нулевого сигнала от степени уменьшения демпфирования газовой среды. Проведены климатические испытания поведения температурных напряжений ЧЭ при различных внутрикорпусных давлениях. Определен оптимальный диапазон давлений для вакуумирования КМГ. Проведено искусственное старение прибора с целью определения устойчивости внутрикорпусного давления в зависимости от интенсивности газовыделения клеевых соединений и степени герметичности корпуса.

В четвертой Главе рассмотрены дефекты, возникающие при изготовлении ЧЭ. Проведено 3D моделирование и численный расчет влияния этих дефектов на температурные напряжения в конструкции ЧЭ, а также их влияние на величину и погрешность выходного сигнала. Собраны опытные образцы приборов на ЧЭ с уменьшенными дефектами и проведены экспериментальные исследования (влияние температуры на изменения синфазной и квадратурной составляющих сигнала, а также изменение температурной чувствительности), направленные на определение их точностных характеристик. Представлены сравнительные характеристики данных приборов.

В заключении сформулированы результаты, полученные в диссертации.

Автор выражает благодарность своему научному руководителю, сотрудникам АО «Инерциальные технологии «Технокомплекса» за поддержку и помощь в научной работе.

Глава 1. Погрешности кольцевого микромеханического гироскопа

1.1. Описание конструкции, структурных и функциональных схем кольцевого микромеханического гироскопа

Чувствительным элементом (ЧЭ) кольцевого микромеханического гироскопа является тонкий (толщиной 100 мкм) упругий осесимметричный резонатор (кольцо), совершающий изгибные колебания по второй основной форме. Кольцо подвешено на Z-образных упругих элементах (ламели), не оказывающих влияния на изгибные колебания кольца. Кольцо вместе с ламелями выполнено из монокристаллической кремниевой пластины с плоскостью среза (111) методом объемного плазмохимического травления («Bosch^-процесс -процесс глубокого анизотропного травления кремния в плазме высокочастотного индукционного разряда) [17-19]. Для выбранного типа пластин механические и упругие свойства кремния (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига и т.д.) во всех направлениях плоскости остаются одинаковыми.

На подготовленную к изготовлению ЧЭ кремниевую пластину, наносится слой оксида кремния в процессе термического окисления. Слой должен обеспечивать надежную электрическую изоляцию и вносить минимальные механические напряжения в конструкцию ЧЭ. В слое окисла посредством фотолитографии вскрываются окна, для контактов, напыленных на поверхность кольца заземляющих проводников. Кроме того, на окисленной поверхности кольца выполняются проводники токовых петель и, контактов для внешних выводов сенсора. Материалом для проводников служит алюминий. Слой металла должен обеспечить хорошую адгезию к слою оксида кремния и к объему кремния в местах заземленных проводников, низкое сопротивление проводников, низкие механические напряжения в слое. В местах заземления проводников на ЧЭ должен обеспечиваться омический контакт, что требует

использования кремния с дырочным типом проводимости. Для обеспечения омического контакта заземляющих проводников с объемом кремния проводится вжигание алюминия в кремний при температуре 450 0С. И заключительной операцией является формирование отверстий и прорезей в кремниевой пластине методом ионно-плазменного травления, в результате чего формируется ЧЭ, изображенный на Рис. 1.1. ЧЭ имеет восемь /-образных упругих элементов, по которым проходят напыленные проводники из алюминия, тем самым, конструктивно разделяя кольцо на восемь сегментов [20].

Кольцо ЧЭ с помощью ламелей удерживается в магнитном поле, образованном специальной магнитной системой, состоящей из магнита, верхнего магнитопровода и нижнего магнитопровода, изготовленных из магнитомягкого материала. Магнитная цепь выполнена таким образом, чтобы обеспечить максимальное магнитное поле в зоне расположения кольца ЧЭ.

Рис. 1.1. Внешний вид чувствительного элемента

Конструктивная схема макетного образца КМГ с электроникой, разработанного в АО «ИТТ», представлена на Рис. 1.2. Датчик КМГ является аналогом датчика, разработанного компанией British Aerospace Systems and Equipment (BAE Systems) (Великобритания) совместно с фирмой Sumitomo

Precision Products Company Ltd (Япония) [21]. Теории и практическим вопросам конструирования таких гироскопов посвящена обширная литература [22-30].

Кожух

Датчик КМГ

Сервисная электроника

Основание

Рис. 1.2. Конструктивная схема КМГ с электроникой

Ряд работ посвящен анализу электроники: системам управления и обработке информации [31-34].

КМГ разработки АО «ИТТ» является гироскопом классического типа компенсационного режима работы, при котором первый контур создает вынужденные колебания по оси возбуждения (cos2a) постоянной амплитуды, а второй контур подавляет волну, возникающую при вращении гироскопа ^т2а, см. Рис. 1.3). Тем самым положение стоячей волны остается неизменным, а по величине подавляющего сигнала можно судить о скорости вращения.

Использование компенсационного режима позволяет улучшить характеристики прибора за счет исключения зависимости крутизны прибора от добротности.

Гироскоп состоит из основания, на котором закреплена сервисная электроника управления и обработки выходного сигнала. На верхней плате установлен датчик кольцевого микромеханического гироскопа. Снаружи гироскоп закрыт металлическим кожухом.

КМГ относится к классу вибрационных гироскопов, которые работают на основе измерения перемещения чувствительного элемента прибора, возникающего в результате действия силы Кориолиса. Эта сила действует на любую частицу, совершающую прямолинейное движение в системе координат, которая вращается относительно оси перпендикулярной к этому прямолинейному движению. Поэтому во всех вибрационных гироскопах создается вибрация ЧЭ вдоль оси возбуждения. При вращении корпуса прибора возникает сила Кориолиса, которая вызывает колебания ЧЭ по оси перпендикулярной плоскости, в которой расположены ось колебаний возбуждения и входная угловая скорость. Амплитуда этих колебаний пропорциональна входной угловой скорости.

Принцип работы датчика угловой скорости с кольцевым ЧЭ представлен на Рис. 1.3 и 1.4. В кольцевом ЧЭ возбуждаются резонансные колебания на второй форме колебаний по так называемой оси возбуждения, которые при отсутствии вращения корпуса прибора относительно оси перпендикулярной плоскости ЧЭ, имеют вид, показанный на Рис. 1.3 а). При вращении ЧЭ на каждый его элемент действует сила Кориолиса, направление которой показано на Рис. 1.4, где цифрой 1 обозначено нулевое положение ЧЭ, а цифрой 2 -смещение ЧЭ при вибрации. В результате действия сил Кориолиса появляются колебания относительно оси чувствительности прибора, которая повернута на 45° от оси первоначальных колебаний (Рис. 1.3 б)). В состав гироскопа входит система управления колебаниями ЧЭ посредством прикладываемых к элементам ЧЭ магнитоэлектрических сил. Целью управления является возбуждение

колебаний и поддержание их с заданной амплитудой на второй форме колебаний, и полная компенсация колебаний по оси чувствительности. Сигналы управления, необходимые для компенсации колебаний по оси чувствительности, позволяют определить угловую скорость основания гироскопа.

а)

б)

Рис. 1.3. Формы колебаний КМГ: а) Вторая форма колебаний под углом 0° к оси возбуждения (cos2а); б) Вторая форма колебаний под углом 45° к оси возбуждения при появлении угловой скорости фп2а)

Рис. 1.4. Принцип работы КМГ. Схема действия сил Кориолиса

Конструкция ЧЭ в виде кольца имеет значительные достоинства. Во-первых, в кольцевых вибрационных гироскопах колебания чувствительного элемента происходят только в одной плоскости. Во-вторых, благодаря

симметричной структуре она имеет пониженную чувствительность к внешним вибрациям. В-третьих, так как резонансные частоты по осям возбуждения и измерения равны, чувствительность датчика усиливается за счет добротности, как и в ряде других МЭМС гироскопов. В-четвертых, КМГ среди других МЭМС гироскопов обеспечивают минимальную чувствительность от максимальную устойчивость к ШСВ и некоторые образцы КМГ имеют точность не более 0,1 °/ч по вариации Аллана.

Исходя из рассмотренного принципа работы КМГ, структурная схема гироскопа в общем виде представлена на Рис. 1.5. Электроника датчика состоит из двух частей: первая часть - система возбуждения и стабилизации амплитуды колебаний ЧЭ, а вторая - система измерения выходного сигнала и подавления квадратурной составляющей сигнала (сигнал, сдвинутый по фазе относительно опорного сигнала на 90°).

Система возбуждения и

стабилизации амплитуды -

колебаний резонатора.

Система измерения выходного сигнала и подавления квадратуры

ДБ2

Рис. 1.5. Структурная схема КМГ

Структурная схема состоит из следующий основных частей:

- резонатор;

- датчика вибрации системы возбуждения (ДВ1);

- исполнительного элемента системы возбуждения (ИЭ1);

- датчика вибрации системы измерения (ДВ2);

- исполнительного элемента системы измерения (ИЭ2);

- системы для возбуждения и стабилизации амплитуды колебаний резонатора;

- системы измерения выходного сигнала. Схема электроники КМГ изображена на Рис. 1.6.

Рис. 1.6. Функциональная схема блока электроники КМГ

Для реализации схемы управления ЧЭ КМГ и съема-обработки выходного сигнала выбрана схема компенсационного типа, построенная с использованием опорного генератора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). При этом колебания ЧЭ в первичном контуре возбуждаются генератором тока с автоматической регулировкой коэффициента усиления и фазовой автоподстройкой частоты.

ФАПЧ обеспечивает установление частоты генератора таким образом, что фазовый сдвиг между колебаниями ЧЭ и действующей силой составляет 90°.

Выполнение этого условия обеспечивает возбуждение колебаний кольцевого ЧЭ на собственной частоте (достижение резонанса). Вторичный контур обеспечивает подавление вторичных колебаний кольцевого ЧЭ КМГ, возникающих за счет действия сил Кориолиса, а также связанных с не идеальностью кольцевого ЧЭ (перекрестная связь между первичным и вторичным контурами).

Колебания в первичном контуре кольцевого ЧЭ (Блок 1) за счет применения индукционного метода съема сигнала преобразуются в электродвижущую силу (ЭДС), которая усиливается каскадом предварительного усиления канала возбуждения колебаний (Блок 2). Результирующий сигнал поступает на двухканальный синхронный детектор (Блок 3) для выделения амплитуд синфазной (сигнал, сдвинутый по фазе относительно опорного на 0° или 180°) и квадратурной составляющих. Блок ФАПЧ (Блок 4) решает задачу автоматической подстройки частоты с целью настройки генератора, входящего в его состав, на частоту, превышающую собственную частоту ЧЭ КМГ в четыре раза. Это необходимо для получения (с помощью двойного D-триггера) четырех сигналов с частотой, равной собственной частоте ЧЭ КМГ, и относительными фазовыми сдвигами 90°. Как сказано выше, система возбуждения должна обеспечивать настройку системы на резонансную частоту кольца и поддержание стабильной амплитуды колебаний. Принцип работы ФАПЧ основан на фазовом соотношении между частотой возбуждения и частотой перемещением кольца ЧЭ при вынужденных колебаниях. При низкой частоте вынужденных колебаний кольца ЧЭ по сравнению с собственной частотой, колебания системы происходят практически в фазе с частотой силы возбуждения. При частоте вынужденных колебаний намного больше собственной частоты, колебания системы происходят в противофазе с частотой силы возбуждения. В момент перехода через резонанс фаза вибрационного перемещения колеблющегося элемента отстает от фазы силы возбуждения на 90°. Это фазовое соотношение

используется в системах ФАПЧ. Система управления осуществляет изменение частоты возбуждения так, чтобы сдвиг между частотой возбуждения и сигналом с датчика перемещения был равен 90°. Блок автоматической регулировки усиления сигналов (АРУ) (Блок 5) решает задачу поддержания стабильной амплитуды первичных колебаний ЧЭ. Модулятор (Блок 6) служит для формирования управляющего сигнала, который с помощью преобразователя напряжение-ток (Блок 7) и магнитоэлектрической системы возбуждения колебаний реализует воздействие на электроды первичного контура кольцевого ЧЭ КМГ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Косторной Андрей Николаевич, 2018 год

Список литературы

1. Foucault J. B.L. Demonstration physique au movement de rotation de la Terre au moyen du pendule // C.R. Acad. Sel. Paris. - 1851. Vol. 32. P. 135-138.

2. Chikovani, V.V.; Okon, I.M.; Barabashov, A.S.; Tewksbury, P. A Set of High Accuracy Low Cost Metallic Resonator CVG. In Proceedings of the IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium, Monterey, CA, USA, 5-8 May 2008. P. 238-243.

3. Chikovani, V.V.; Yatsenko, Y.A.; Barabashov, A.S. Improved accuracy metallic resonator CVG. IEEE Aerospace Electron. Syst. Mag. 2009, 5, P. 40-43.

4. Chouvion, B., Popov, A. A., McWilliam, S., and Fox, C. H. J. Vibration modelling of complex waveguide structures. Comput. Struct., 2011, 89, P. 1253-1263.

5. J.Wang,L.Chen, M.Zhang, D.Chen,A micromachined vibrating ring gyroscope with highly symmetric structure for harsh environment, Proceedings of the Fifth IEEE International Conferenceon Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS), 2010, P.1180-1183.

6. R. Feng, A.P. Qiu, Q. Shi, Y. Su, A Theoretical and Experimental Study on Temperature Dependent Characteristics of Silicon MEMS Gyroscope Drive Mode, Advanced Materials Research, 2012, P.4237-4243.

7. Wu, L.F.; Zhang, F.X. The study of the scale factor of micro-machined gyroscope. IEICE Electron. Express 2008, 5, P. 840-845.

8. Chouvion, B., Fox, C. H. J., McWilliam, S., and Popov, A. A. In-plane free vibration analysis of combined ring-beam structural systems by wave propagation. J. Sound Vibr., 2010, 329 (24), P. 5087-5104.

9. H. Sheng, H. Li, P. Lu, H. Xu, Free vibration analysis for micro-structures used in MEMS considering surface effects, Journal of Sound and Vibration 329 (2) (2010), P. 236-246.

10. Пешехонов В.Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем // Гироскопия и навигация. 2011. №1 (72). С. 3-16.

11. Матвеев В.А. Гироскоп - это просто. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. 191 с.

12. Патент 2518379 Российская Федерация, МПК G01C19/56. Вибрационный вакуумный микрогироскоп / Гребенников В.А., Минаев Ю.А., Аксенов К.С.; патентообладатель ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро». - №2 2012150513/28; заявл. 26.11.2012; опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16 - 8 с.: ил.

13. Климов Д.М., Журавлев В.Ф., Жбанов Ю.К. Кварцевый полусферический резонатор (Волновой твердотельный гироскоп). М.: Изд-во «Ким Л.А.». 2017. 194 с.

14. Матвеев В.А., Лунин Б.С., Басараб М.А. Навигационные системы на волновых твердотельных гироскопах. М.: Физматлит. 2008. 240 с.

15. Повышение диапазона измерения волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором / Е.А.Чуманкин [и др.] // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2016. №10. С. 25-37.

16. Калёнова Н.В. Влияние угловых перемещений резонатора волнового твердотельного гироскопа на взаимосвязь рабочих колебаний с балочными // Изв. РАН. МТТ. 2009. № 5. С. 36-41.

17. Галперин В.А., Данилкин Е.В., Мачалов А.И. Процессы плазменного травления в микро-и нанотехнологиях. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2010. 288 с.

18. Шумилов А.С., Амиров И.И. Моделирование формирования глубоких канавок в Si в плазмохимическом, циклическом травление, пассивация процессе. // Микроэлектроника. 2007. Т. 36. .№ 4. С. 277-287.

19. Rongchun Z., Haixia Z., Yilong H., Yangyuan W. Simulation of the Bosch process with a string-cell hybrid method. // Journal of micromechanics and microengineering, 2004. Т. 14. P. 851-858.

20. Косторной А.Н., Коновалов С.Ф. Совмещение собственных резонансных частот кольцевого резонатора КМГ // Авиакосмическое приборостроение. 2016. №2. С. 3-11.

21. Patent 005932804A США. Vibrating structure gyroscope / Hopkin I.D. et al. Опубл. 03.08.1999.

22. Распопов В. Я. Микромеханические приборы: учебное пособие для вузов по специальности «Приборостроение» направления подготовки «Приборостроение». М.: Машиностроение. 2007. 400 с.

23. Кирсанов М.Н. Жесткость торсионной подвески микромеханического волнового твердотельного гироскопа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2015. №3. С. 18-22.

24. Моисеев Н.В. Микромеханический гироскоп компенсационного типа с расширенным диапазоном измерения: дис. ...канд. техн. наук. Спб. 2015. 123 с.

25. Соловьёв А.В. Микромеханический вибрационный гироскоп с разнесенными частотами возбуждения и съема информации: автореферат дис. ... канд. техн. наук. М. 2014. 16 с.

26. Нестеренко Т.Г., Пересветов М.В. О выборе привода первичных колебаний микромеханического инерциального датчика // Промышленные АСУ и контроллеры. 2012. №6. С. 50-52.

27. Люкшонков Р.Г. Термокомпенсация в микромеханических гироскопах с контуром стабилизации амплитуды первичных колебаний: дис. .канд. техн. наук. СПб. 2016. 124 с.

28. Меркурьев И.В., Подалков В.В., Ву Тхе Чунг Зыап Устойчивость движения микромеханического гироскопа при угловых движениях основания

// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика 2011. № 3. С. 35-40.

29. Вибрационные датчики угловой скорости / С.Ф. Коновалов [и др.] // Авиакосмическое приборостроение. 2013. №12. С. 43-60.

30. Меркурьев И.В., Подалков В.В. Влияние нелинейной упругости материала кольцевого резонатора на динамику микромеханического гироскопа // Вестник МЭИ. 2008. №3. С.5-11.

31. Редькин С.П., Погрешности интегрирующего твердотельного волнового гироскопа от ошибок выработки составляющих сигналов ДУ // Авиакосмическое приборостроение. 2014. №6. С. 23-30.

32. Жбанов Ю.К. Самонастраивающийся контур подавления квадратуры в волновом твердотельном гироскопе // Гироскопия и навигация. 2007. №2. С. 37 -43.

33. Моисеев Н.В. Анализ систем управления вторичными колебаниями современных микромеханических гироскопов // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2012. №7. С. 115-126.

34. Тарасов А.Н. Система управления микромеханического вибрационного гироскопа с совмещенными частотами возбуждения и съема: дис. .канд. техн. наук. М. 2015. 190 с.

35. Точечная балансировка по массе волнового твердотельного гироскопа с цилиндрическим резонатором / М.А. Басараб [и др.] // Инженерная физика. 2017. №12. С. 29-37.

36. Басараб М.А., Матвеев В.А. Алгоритм расчета параметров дебаланса резонатора волнового твердотельного гироскопа при произвольной форме колебаний // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2016. №9. С. 9-15.

37. Шаталов М.Ю., Лунин Б.С. Влияние внутренних напряжений на динамику волновых твердотельных гироскопов // Гироскопия и навигация. 2000. №1 (28). С. 78-87.

38. Басараб М.А., Матвеев В.А., Лунин Б.С. Аппроксимация распределения плотности резонатора волнового твердотельного гироскопа по измеренным параметрам дебаланса // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2015. №10. С. 09-16.

39. Маслов А.А., Маслов Д.А., Меркурьев И.В. Идентификация параметров волнового твердотельного гироскопа с учетом нелинейности колебаний резонатора // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2014. №5. С. 18-23.

40. Журавлева Т.М., Нестеренко Т.Г., Плотникова И.В. Влияние вибрации основания на азимутальный модуль микромеханической системы ориентации // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №7. С 34-37.

41. Редькин С.П. Математическая модель температурной скорости дрейфа твердотельного волнового гироскопа // Авиакосмическое приборостроение. 2014. №5. С. 09-13.

42. Егармин Н.Е. Свободные и вынужденные колебания вращающегося вязкоупругого кольца // Изв. АН СССР. МТТ. 1986. №2. С. 150-154

43. Gallacher B. J., Hedley J, Burdess J. S., Harris A. J. and McNie M. E. MultiModal Tuning of a Ring Gyroscope using laser ablation // Journal of Mechanical Engineering Science-Part C. 2003. P. 557-576.

44. Rourke A.K., Fox C.H.J. and McWilliam S. Multi-mode frequency trimming of ring structures. // Journal of Sound and Vibration (Impact Factor:1.81). 2002. P. 319-345.

45. Patent 2 292 609 A Англия. Matching vibration mode frequencies on a vibrating structure / Fell. C. P. Опубл. 28.02.1996.

46. Нетушила А.В. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа. 1967. Ч.1. 424 с.

47. Шевцова Е.В. Исследование газового демпфирования в микромеханических приборах: автореферат дис. ... канд. техн. наук. М., 2005. 16 c.

48. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.:Гос. изд. физмат.лит. 1959. 918 c.

49. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. М.: Высш. школа. 1980. 408 с.

50. Y.C.Pei, Thermoelastic damping in rotating flexible micro-disk, International Journal of Mechanical Sciences 61 (2012) P. 52-64.

51. X.Guo, Yb Yi, Suppression of thermoelastic dampingin MEMS beam resonators by piezoresistivity, Journal of Sound and Vibration 333 (2014) P. 10791095.

52. S. Kumar, T.Alam, A.Haque, Thermo-mechanical coupling and size effects in micro and nano resonators, Micro and Nano Systems Letters 1 (1) (2013) P. 1-9.

53. X. Guo, Y.-B. Yi, S. Pourkamali, A finite element analysis of thermoelastic damping in vented MEMS beam resonators, International Journal of Mechanical Sciences 74 (0) (2013) P. 73-82.

54. Yi, Y. B. Geometric effects on thermoelastic damping in MEMS resonators. J. Sound Vibr., 2008, 309, P. 588-599.

55. Chouvion, B. Vibration transmission and support loss in MEMS sensors. University of Nottingham, 2010. 287 p.

56. Hao Z., Erbil A., Ayazi F. An analytical model for support loss in micromachined beam resonators with in-plane flexural vibrations // Sens. Actuators A. - 2003. - Vol. 109. - P. 156-164.

57. M.Weinberg, R. Candler, S. Chandorkar, J. Varsanik, T. Kenny, A. Duwel, Energy loss in MEMS resonators and the impact on inertial and RF devices, in: SolidState Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009. TRANSDUCERS 2009. International, 2009, P. 688-695.

58. S.Joshi, S.Hung, S.Vengallatore, Design strategies for controlling damping in micromechanical and nanomechanical resonators, EPJ Techniques and Instrumentation 1 (1) (2014) P. 114.

59. Физико-химическая модель скорости роста пленок alpha-Si:H в силановых плазменных смесях пониженного давления / А.С. Тимошенков [и др.] // Материалы конференции «Кремний 2009г.». Новосибирск. 2009. C. 157.

60. Научные основы технологии структур «кремний на изоляторе» / А. С. Тимошенков [и др.] // Петербургский журнал электроники. 2010г. Выпуск №3 (32) C. 15.

61. Лазерно-термический метод осаждения плёнок кремния в гидридном процессе / А.С. Тимошенков [и др.] // Оборонный комплекс научно техническому прогрессу России. г. Москва. МИЭТ. 2008г. № 1 C. 41.

62. Басараб М.А., Кравченко В.Ф., Матвеев В.А. Методы моделирования и цифровая обработка сигналов в гироскопии. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2008. 248 с.

63. McWilliam S. Anisotropy effects on the vibration of circular rings made from crystalline silicon // Journal of Sound and Vibration. 1999. №228. P. 11-35.

64. Меркурьев И.В., Подалков В.В. Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009. 228 с.

65. Косторной А.Н. Влияние газовой среды на характеристики микромеханического вибрационного гироскопа // Авиакосмическое приборостроение. 2017. №11. С. 3-11.

66. Газопоглотители для вибрационных гироскопов / В.А. Матвеев [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2013. № 2. С. 90-99.

67. Магнус К. Колебания: Введение в исследование колебательных систем // Пер. с нем. М.: Мир. 1982. 304 с.

68. Евстифеев М.И. Погрешности микромеханического гироскопа на вибрирующем основании // Гироскопия и навигация. 2002. №2 (37). С. 19-25.

69. Евстифеев М.И. Упругие подвесы инерциальных тел в точном приборостроении // Гироскопия и навигация. 2007. №2. С. 63-67.

70. Sudipto K. De., Aluru N.R. Complex nonlinear oscillations in electrostatically actuated microstructures. J. Microelectromech. Syst., 2005. Vol. 15. №2. P. 355-369.

71. Zhang W., Baskaran R., Turner K.L. Effect of cubic nonlinearity on autoparametrically amplified resonant MEMS mass sensor // Sensors and actuators A. 2002. Vol. 82, №1. P. 130-132.

72. Zhang W., Baskaran R., Turner K.L. Tuning the dynamic behavior of parametric resonance in a micromechanical oscillator // Applied physics letters. 2003. Vol. 82, №1. P. 130-132.

73. L-H. Lee Adhesive Bonding / NY: Plenum Press, 1991.

74. Gerlach A., Keller W., Schulz J., Schumacher K. Gas permeability of adhesives and their application for hermetic packaging of microcomponents // Microsystem Technologies. 2001. Vol. 7. P. 17-22.

75. Лукина Н.Ф., Петрова А.П. Свойства и применение клеев в приборной технике // Клеи. Герметики. Технологии. 2005. № 11. С. 11-15.

76. Астахов П.А., Войтенко Л.И. Клеи и компаунды на основе модифицированных эпоксидных смол // Клеи. Герметики. Технологии. 2005. № 2. С. 12-15.

77. Обеспечение вакуума в приборах с внутренними клеевыми соединениями / В.А. Матвеев [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2014. № 4. C. 113.

78. Косторной А.Н. Влияние погрешностей изготовления на механические свойства и колебания ММГ // Авиакосмическое приборостроение. 2017. №9. С. 3-9.

79. Нарайкин О.С., Сорокин Ф.Д., Козубняк С.А. Расщепление собственных частот кольцевого резонатора твердотельного волнового гироскопа, вызванное возмущением формы // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2012. №6. С.176-185.

80. Журавлев В.Ф. Дрейф несовершенного ВТГ // Изв. РАН. Механика твердого тела. 2004. №4. С. 19-23.

81. Цибизов П.Н., Баринов И.Н. Механические напряжения в структуре кремниевых чувствительных элементов датчиков давления // Труды международного симпозиума надежность и качество. 2007. С.99-101.

82. Гридчин В.А., Драгунов В.П. Физика микросистем: Учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2004. 416 с.

83. Расчет упругих элементов машин и приборов / С.Д. Пономарев [и др.] / /М. Машиностроение. 1980. 326 с.

84. Обухов В.И., Денисов Р.А. Инженерные методы расчета температурных погрешностей интегральных датчиков // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2010. № 1 (80). С. 300-305.

85. Hao, Z. and Xu, Y. Vibration displacement on substrate due to time-harmonic stress sources from a micromechanical resonator. J. Sound Vibr., 2009, 322, P. 196-215.

86. R. Feng, A.P. Qiu, Q. Shi, Y. Su, A Theoretical and Experimental Study on Temperature Dependent Characteristics of Silicon MEMS Gyroscope Drive Mode, Advanced Materials Research, 2012, P. 4237-4243.

87. Журавлев В.Ф. Исследование нелинейных колебаний составного маятника // Изв. РАН. МТТ. 1996. №3. С. 160-166.

88. Сбытова Е.С. Динамика микромеханического гироскопа с резонатором в виде упругих пластин: дис. .канд. физ.-мат. наук. М. 2014. 128 с.

ОТЗЫВ НАУЧНОГО РУКОВОДИТЕЛЯ

на диссертацию Косторного Андрея Николаевича «Кольцевой микромеханический гироскоп», представленную на соискание ученой степени кандидата технических'наук по специальности 05.11.03 - Приборы навигации.

Косторной А.Н. в 2009 году окончил Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» по специальности «Оптико - электронные приборы и системы». С 05.12.2014 по 04.12.2018 являлся аспирантом АО «Раменского приборостроительного конструкторского бюро».

Косторной А.Н. успешно сдал кандидатские экзамены и подготовил диссертацию. В процессе работы над диссертацией Косторной А.Н. проявил себя как научный работник, способный самостоятельно решать сложные научные и технические задачи, умело использовать современные методы и средства исследования, анализировать и практически применять полученные результаты.

Косторным А.Н. проведены многочисленные глубокие экспериментальные исследования характеристик КМГ. Они связаны с балансировкой кольца, с выявлением влияния газового демпфирования, с оценкой влияния конструктивных и технологических несовершенств кольца и 2-бразных упругих элементов его подвески, обусловленных наличием участков окисла на поверхности кремния и с отклонениями формируемых «Во8сЬ»-процессом поверхностей кремниевых деталей от перпендикуляра к исходной плоскости «вафли»-заготовки. Результаты экспериментальных и теоретических исследований, выполненных автором диссертации, хорошо согласуются с результатами основательно изученных Косторным теоретических работ по исследованию КМГ, выполненных видными учеными-механиками.

Внедрение рекомендаций, сформулированных автором диссертации на основании проведенных исследований, позволило на порядки улучшить точностные характеристики КМГ. Это позволило обеспечить начало серийного выпуска КМГ на предприятии «Инерциальные технологии технокомплекса.»

Автор неоднократно выступал с результатами работы на международных и всероссийских конференциях. По результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК РФ, в которых достаточно полно изложены материалы диссертации.

Считаю, что рассматриваемая диссертация является актуальной научной работой, полностью удовлетворяющей критериям положения о присуждении ученых степеней, предъявляемым к кандидатским диссертациям, а её автор - Косторной Андрей Николаевич, заслуживает присуждения ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.1 1.03 - Приборы навигации.

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор, Первый заместитель заведующего кафедрой «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Подпись руки Коновалова С.Ф. завеояю

Заместитель начальника Управлен

А.Г. Матвеев