Разработка микроакселерометра на поверхностных акустических волнах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Шевченко, Сергей Юрьевич

• Шевченко, Сергей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шевченко, Сергей Юрьевич

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Современное состояние и перспективы развития микросистемной техники.

1.1. Современные концепции построения микроэлектромеханических систем.

1.2. Преимущества микромеханических датчиков.

1.3. Области практического применения микромеханических чувствительных элементов.

1.4. Особенности конструкций микрогироскопов и микроакселерометров.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Концепция построения микроакселерометра.

2.1. Выбор кинематической схемы чувствительного элемента.

2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния консоли чувствительного элемента.

2.3. Конечно-элементная модель чувствительного элемента. Оптимизация консоли чувствительного элемента.

2.4. Анализ собственных частот и форм колебаний чувствительного элемента.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Преобразователи ускорений на ПАВ и их электрические схемы.

3.1. Основы теории ПАВ.

3.2. Фазовые преобразователи на ПАВ.

3.3. Частотные дифференциальные преобразователи на ПАВ.

3.4. Баланс амплитуд и фаз генератора с одновходовым ПАВ-резонатором.

3.5. Эквивалентные схемы ПАВ-резонаторов и их амплитудно-частотные характеристики.

3.6. Анализ электрических схем автогенераторов с ПАВ-резонаторами.

3.7. Особенности выделения информативного сигнала.

3.8. Анализ собственных температурных полей ММА.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальное исследование ММА на ПАВ.

4.1. Выбор метода испытаний и градуировки ММА.

4.2. Статические исследования ММА на поворотной платформе

4.3. Автоматизация градуировки ММА на платформе "Acutronic".

4.4. Оптимизация конструкции ММА.

4.5. Экспериментальные исследования распределения собственных температурных полей ММА.

4.5.1 Анализ точечного распределения температурных полей.

4.5.2 Пространственное распределение температурных полей.

4.6. Повышение температурной стабильности в режиме отношения частот.

4.7. Дифференциальные ПАВ-преобразователи без начального разноса собственных частот резонаторов.

4.8. Вопросы микроминитюаризации и корпусирования.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка микроакселерометра на поверхностных акустических волнах»

Микромеханические датчики инерциальных систем навигации и управления находят все более широкое применение на подвижных объектах различного класса гражданского и военного применения. Успехи в развитии методов и средств производства изделий микроэлектроники позволили создать необходимую базу для разработки и массового выпуска микромеханических гироскопов (ММГ) и акселерометров (ММА), которые получили название твердотельных.

Вместе с тем следует отметить, что подавляющее большинство разработанных твердотельных ММГ и ММА не являются в полном смысле таковыми. Как правило, они используют набор дискретных упругих подвесов, обеспечивающих необходимые степени свободы инерционным элементам. Эти обстоятельства ограничивают виброустойчивость и ударопрочность микрочувствительных элементов, с одной стороны, и требуют использования сложных объемных технологий, с другой.

Определенные перспективы открываются при переходе к специфическому классу приборов и систем, использующих свойства поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках [1.5]. Их основным элементом являются линии задержки и резонаторы, свойства которых зависят от измеряемых параметров движения. Исключительная простота кинематической схемы и высокий уровень конструктивной интеграции создают предпосылки для повышения точностных характеристик, уменьшения общих габаритов и существенного уменьшения общей стоимость их производства. Поэтому разработка датчиков на ПАВ представляется актуальной.

Целью работы является разработка нового типа микроакселерометра на поверхностных акустических волнах.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

- разработать концепцию построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах;

- выполнить оценку распределения нормальных напряжений и относительных деформаций по длине консоли ЧЭ;

- выполнить аналитический расчет и моделирование с помощью программы ANSYS частот собственных колебаний ММА на ПАВ;

- разработать и изготовить пилотную партию макетных образцов ПАВ-микроакселерометров;

- выполнить градуировку ММА на ПАВ в гравитационном поле Земли с целью оценки точностных характеристик и определения времени выхода ПАВ-микроакселерометра на рабочий режим;

- выполнить анализ термостабильности экспериментальных образцов микроакселерометра;

- выполнить оптимизацию чувствительного элемента ММА на ПАВ по сформулированным критериям, разработать и изготовить установочную партию новых образцов ММА на ПАВ;

- оценить возможность модификации существующих методов выделения полезного сигнала для дифференциальных ПАВ-преобразователей.

Методы исследования. Теоретические разделы диссертации разработаны с применением математической теории дифференциальных уравнений, теоретической механики, конечно-элементного анализа и элементов теории ПАВ. Точностные и рабочие характеристики разработанных ПАВ-микроакселерометров получены в результате экспериментальных исследований с использованием методов их математической обработки в программах Matlab и Origin. Экспериментальные исследования проведены с привлечением современных автоматизированных средств, прошедших метрологическую аттестацию.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что при решении поставленных задач:

1. Предложена концепция построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах, позволившая улучшить характеристики ПАВ-преобразователей.

2. Созданы экспериментальные образцы ПАВ-акселерометра с прямоугольной формой консоли и выполнена их оптимизация, с помощью которой были улучшены его технические характеристики.

3. Разработаны методы и средства, позволившие выполнить точечный и пространственный анализ температурных полей.

4. Выявлены недостатки дифференциальных методов выделения разностной частоты, связанные, прежде всего, с начальным разносом частоты ПАВ-резонаторов.

5. Показано, что используемый в ряде работ метод отношения частот не решает принципиально задачи снижения времени выхода микроакселерометра на рабочий режим.

6. Предложен новый метод формирования полезного сигнала в дифференциальных схемах на ПАВ без начального разноса частот ПАВ-резонаторов, который может найти широкое применение в других типах дифференциальных частотных преобразователей.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается:

- хорошим соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных на мелкосерийных партиях пилотных образцов ММ А на ПАВ;

- положительным решением по заявке на патент на полезную модель "Микромеханический акселерометр", в которой предложен разработанный метод выделения полезного сигнала микроакселерометра на ПАВ без начального разноса частот ПАВ-резонаторов;

- всесторонним обсуждением результатов работы в заинтересованных организациях (ЗАО "Гирооптика", ЦНИИ "Электроприбор") и на научно-технических конференциях.

Практическая ценность

В работе получены следующие практические результаты:

1. Разработана концепция построения ММА на ПАВ, найдены частоты и формы собственных колебаний чувствительного элемента, определяющие динамические характеристики ММА.

2. С целью повышения линейности выходной характеристики ММА сформулированы критерии и выполнена оптимизация ЧЭ микроакселерометра на ПАВ, обеспечивающая равномерный характер распределения поверхностных напряжений и относительных деформаций по длине консоли.

3. Выполнены теоретическая и экспериментальная оценки характера и времени выхода разработанных ММА на рабочий режим, позволившие выявить основные механизмы влияющих воздействий.

4. Разработаны технические средства для оценки точечного и пространственного распределения собственных температурных полей ММА в статическом и динамическом режимах.

5. Разработан новый метод выделения полезного сигнала микроакселерометра без начального разноса частот ПАВ-резонаторов, который может быть распространен на другие типы дифференциальных частотных преобразователей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция построения ММА на ПАВ с прямоугольной и треугольной формами консоли;

2. Математические модели чувствительных элементов и макетные образцы ПАВ-микроакселерометров с прямоугольной и треугольной формами консоли;

3. Методы и средства уменьшения влияния собственных температурных полей электрической схемы ПАВ-микроакселерометра, обеспечивающие сокращение времени выхода на рабочий режим и повышение линейности его выходной характеристики;

4. Дифференциальный метод преобразования параметров измеряемых величин в частотную форму без начального разноса собственных частот резонаторов, позволяющий приблизиться к потенциальной температурной стабильности не только ММА на ПАВ, но и других частотных преобразователей, выполненных по дифференциальной схеме.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Шевченко, Сергей Юрьевич

Выводы по главе 4.

1. Разработаны пилотные партии микроакселерометров на ПАВ с консолями прямоугольной и треугольной форм.

2. Выполнена их градуировка в гравитационном поле Земли с использованием поворотной платформы и центрифуги фирмы "Acutronic".

3. Разработан термодатчик для точечного исследования температур по поверхности элементов электрической схемы и резонаторов.

4. Выполнено исследование пространственного распределения температурных полей с помощью тепловизора фирмы NEC, по результатам которого выявлены основные источники собственной температурной нестабильности ММ А на ПАВ.

5. Показано, что предложенный другими авторами и используемый при производстве ММА на ПАВ метод отношения частот хотя и улучшает параметры ММА, но недостаточно.

6. Предложен новый метод выделения полезного сигнала, позволяющий приблизиться к потенциальным точностным возможностям широкого класса приборов на ПАВ.

127

Заключение.

В настоящей работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана концепция построения ММА на ПАВ, найдены частоты и формы собственных колебаний чувствительного элемента, определяющие динамические характеристики ММА.

2. Предложена модель генератора с ПАВ-резонаторами для расчета основных характеристик ММА.

3. Рассмотрены различные варианты схем выделения информативного сигнала ММА на ПАВ.

4. Произведена оптимизация консоли ЧЭ микроакселерометра, обеспечивающая равномерное распределение нормальных напряжений и относительных деформаций по всей ее длине кроме краевых областей.

5. Разработаны пилотные партии микроакселерометров на ПАВ с консолями прямоугольной и треугольной форм.

6. Выполнена градуировка ММА на ПАВ в гравитационном поле Земли с использованием поворотной платформы и центрифуги фирмы "Acutronic".

7. Разработан термодатчик для точечного исследования температур по поверхности элементов электрической схемы и резонаторов.

8. Выполнено исследование пространственного распределения температурных полей с помощью тепловизора фирмы NEC.

9. Выявлены основные источники собственной температурной нестабильности ММА на ПАВ.

10. Показано, что предложенный другими авторами и используемый при производстве ММА на ПАВ метод отношения частот хотя и улучшает параметры ММА, но недостаточно.

11. Предложен новый метод выделения полезного сигнала, позволяющий приблизиться к потенциальной точности широкого класса приборов на ПАВ.

12. Разработаны предпосылки для микроминиатюризации ММА на ПАВ.

128

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шевченко, Сергей Юрьевич, 2007 год

1. Лукьянов Д.П., Скворцов В.Ю. Микроакселерометры на периодических структурах // Навигация и управление движением. Материалы II научно-технической конференции молодых ученых, ГЦН РФ "Электроприбор", 2831 марта, С.-Пб., 2000. С. 82-87.

2. Экспериментальное исследование макета микроакселерометра на поверхностных акустических волнах /Лукьянов Д.П., Лучинин В.В., Скворцов В.Ю., Шевелько М.М. // Петербургский журнал электроники. 2001. -№4.-С. 63-64.

3. Varadan V.K., Varadan V.V. Microsensors, Microelectromechanical Systems (MEMS), and Electronics for Smart Structures and Systems. Smart Material Structures, Vol. 9 (2000), pp. 953-972. Printed in the UK.

4. Катыс П. Г., Катыс Г. П. Микродатчики, реализованные на основе МЭМС и МОЭМС. // Микросистемная техника. -№11.- 2001 г.

5. Былинкин С. Ф., Вавилов В. Д., Вавилов И. В., Китаев И. В. Разработка и исследования микросистемных акселерометров. // Микросистемная техника. №6. - 2003г.8. http://www.terralab.ru/print/input/37704/

6. Степанов Ю. И. Применение технологий МЭМС и МСТ в автомобильной технике. // Микросистемная техника. №12. - 2003г.

7. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тул. гос. университет, Московский гос. технологический ун-т им. К.Э. Циолковского. Тула: Гриф и К. - 2004. - 476 е., ил.

8. Бабур Н., Шмидт Дж. Направления развития инерциальных датчиков // "Гироскопия и навигация", СПб., "Электроприбор", Академия навигации и управления движением. № 1(28). - 2000 г.

9. В.Г. Пешехонов. Гироскопы начала XXI века. // Санкт-Петербург, Гироскопия и навигация. 2003. - № 4 (43). - С. 5 - 18.

10. Д.П. Лукьянов, Скворцов В.Ю. Микроэлектронные акселерометры инерциальных систем навигации: Учеб. пособие СПб.: Изд. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". -1999.-60 с.

11. Шашкин В. И., Востоков Н. В., Вопилкин Е. А., Климов А. Ю., Волгунов Д. Г., Рогов В. В., Лазарев С. Г. О возможных конструкциях датчиков тун-нельно-эмиссионных акселерометров. // Микросистемная техника. №5. -2003г.

12. В.В. Малов. Пьезорезонансные датчики. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат. - 1989. - 272 е.: ил.

13. S.I. Rokhlin, Kornblit, J. Gorodetsky/ SAW pressure transducers and acceler-ometers//Prog. Aerospace Sei. 1984. Vol. 27. P. 1 - 131.

14. H.F. Tiersten, P.S. Stevens, P.K. Das. Accoustic surface wave accelerometer and rotation rate sensor//Ultrasonics Symposium. 1980. P. 727 - 738.

15. H.F. Tiersten. Circulating flexural wave rotation rate sensor/ЯЕЕЕ Ultrasonics Symposium. 1981. P. 163 - 166.

16. В.И. Феодосьев. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2001. - 592 с.

17. A.M. Лестев, М.А. Лестев, Д.П. Лукьянов, И.В. Попова, A.A. Тихонов, Ю.В.Филатов. Микроакселерометр. Патент на полезную модель. № 307203 от 20.01.04.

18. С.А. Зегжда, Ш.Х. Салтаханов, М.П. Юшков. Уравнения движения неголо-номных систем и вариационные принципы механики. СПб.: Изд-во СПбГУ.-2002.-276 с.

19. А.П. Филиппов. Колебания деформируемых систем. М., 1970. (Изд. 2-е).

20. И.А. Викторов. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука.-1981.

21. Поверхностные акустические волны: Пер. с англ. / Под ред. Олинера. М.: Мир.-1981.

22. Поверхностные акустические волны устройства и применения. Тематический выпуск. ТИИЭР. - 1976. - Т. 64. - № 5. - С. 1 - 324.

23. И. Зеленка. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение. М.: Мир.- 1990.-584 е., ил.

24. Фильтры на поверхностных акустических волнах: Пер. с англ. / Под ред. Г. Мэттьюза. М.: Радио и связь. 1981.

25. В.М. Колешко, Ю.В. Мешков. Микроэлектронные преобразователи информации на поверхностных акустических волнах // Зарубежная электронная техника. М.: ЦНИИ "Электроника". № 9. - 1985.

26. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов: Справочное пособие / В.В. Дмитриев, В.Б. Акпамбетов, Е.Г. Бронникова идр.; Под ред. Б.Ф. Высоцкого, В.В. Дмитриева. М.: Радио и связь. 1985.

27. Avramov I.D. Analysis and Design of Negative Resistance Oscillators Using Surface Transverse Wave-Based Single Port Resonators, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. С No.3, pp.220-229, March 2003.

28. Разработка и оптимизации я схемы построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах (Часть 1). Д.П. Лукьянов, М.М. Шевель-ко, С.Ю. Шевченко и др. // Гироскопия и навигация. 2005. - №2(49).

29. A.V. Zbrutsky, N.G. Chernjak, G.A. Skrepkovsky, "Creation of Low Cost Linear Accelerometers for Navigation and Control Systems", Proceed. Of Symposium Gyro Technology 2005, Stuttgart, Germany, pp. 4.0 4.11.

30. А.Е. Синельников. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы и средства поверки и градуировки. М.: Изд-во стандартов, 1979. 176 е., ил.

31. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем. СПб: ГНЦ РФ -ЦНИИ "Электроприбор". 2001.

32. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий / Под общ. ред. академика РАН В.Г.Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор". 2005. - 404 с.

33. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. JL, Машиностроение, Ленинградское отделение. 1983 г.

34. Whitepaper: VS-500 Datasheet /Vectron International, 267 Lowell Rd, Hudson NH 03051-4916,2003.