Система управления микромеханического вибрационного гироскопа с совмещенными частотами возбуждения и съема тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат наук Тарасов, Александр Николаевич

• Тарасов, Александр Николаевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Тарасов, Александр Николаевич

Содержание

Введение

Глава 1. Особенности работы микромеханического вибрационного гироскопа с резонансным выходом

1.1. Обзор конструктивных схем

1.2. Описание конструкции МВГ разработки НИИ ИМ

1.3. Критичные технологические операции

1.4. Выбор схемы построения СУ МВГ

1.5. Особенности построения СУ МВГ резонансного типа

Выводы по Главе 1

Глава 2. Математическая модель МВГ и реализация АУ

2.1. Уравнения движения

2.2. Численная модель МВГ

2.2.1. Механический колебательный модуль

2.2.2. Система наблюдения

2.2.3. Система управления

2.3. Характеристики СУ

2.3.1. Диапазон регулировки собственной частоты

2.3.2. Диапазон измерения угловых скоростей

2.3.3. Время готовности

2.3.4. Полоса пропускания

2.4. Характеристики МВГ

2.5. Реализация алгоритма управления МВГ

Выводы по Главе 2

Глава 3. Результаты испытания образцов МВГ с настольной

электроникой

3.1. Блок настольной электроники МВГ

3.2. Перечень исследуемых параметров и блок-схема контрольно-проверочной аппаратуры для проведения

испытаний

3.3. Результаты испытаний

3.3.1. Результаты определения рабочих зазоров

3.3.2. Результаты определения собственных частот и

добротностей

3.3.3. Результаты точностных испытаний

3.3.3.1. Масштабный коэффициент и его нелинейность

3.3.3.2. Нестабильность нулевого сигнала

3.3.3.3. Полоса пропускания

3.3.3.4. Стабильность поддержания разности фаз

3.4. Сравнение результатов моделирования с

экспериментальными данными

3.4.1. Параметры МКМ

3.4.2. Параметры СН

3.4.3. Оценка характеристик СУ и параметров МВГ по

результатам испытаний его подсистем

Выводы по Главе 3

Глава 4. Основные погрешности МВГ и доработка СУ с учетом этих погрешностей

4.1. Погрешности от неточности формирования зазоров в

ёмкостных датчиках

4.2. Квадратурная помеха

4.2.1. Определение квадратурной помехи по характеру

кривых выбега МВГ

4.2.2. Численная модель выбега

4.2.3. Квадратурная помеха при замкнутой СУ

4.2.4. Особенности настройки СУ при наличии квадратурной

помехи

4.3. Нелинейные эффекты

4.3.1. Нелинейность в электростатических датчиках силы

4.3.1.1. Математическая модель

4.3.1.2. Выбор закона управления

4.3.2. Нелинейность СН

4.4. Экспериментальная оценка возможности повышения

полосы пропускания

4.5. Скорректированный алгоритм управления

Выводы по Главе 4

Общие выводы и заключение

Список литературы

Список сокращений

ALC - Automatic Level Control (автоматическая регулировка уровня)

ARW - angle random walk (угловое случайное блуждание);

DSP - digital signal processor (цифровой сигнальный процессор )

FPGA - field-programmable gate array (программируемая логическая

интегральная схема);

РТАТ - proportional to absolute temperature (пропорционально

абсолютной температуре)

SPI - serial peripheral interface (последовательный периферийный интерфейс)

АРУ - автоматическая регулировка усиления;

АУ - алгоритм управления;

АФЧХ - амплитудно-фазовая частотная характеристика;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;

БиКМОП - биполярная комплементарная структура металл-оксид-

полупроводник;

БПФ - блок преобразования Фурье;

БСВУС - блок синхронной выдачи управляющих сигналов;

БЭ - блок электроники;

ВОГ - волоконно-оптический гироскоп;

ВИП - вторичный источник питания;

ВУ - выходной усилитель;

ГДО - газодинамическая скоростная опора;

ГУН - генератор, управляемый напряжением;

ДНГ - динамически настраиваемый гироскоп;

ДП - датчик положения;

ДС - датчик силы;

ду - дифференциальный усилитель;

емр - единица младшего разряда;

ЖМД - жесткий магнитный диск;

ЗГ - задающий генератор;

ИП - источник питания;

ИПДП - источник питания датчика положения;

ИУ - инструментальный усилитель;

КА - космический аппарат;

кмоп - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник;

мвг - микромеханический вибрационный гироскоп;

мк - масштабный коэффициент;

мкм - микромеханический колебательный модуль;

ммг - микромеханический гироскоп;

МП - механическая плата;

МФ - медианный фильтр;

мэмс - микроэлектромеханические системы;

ог - опорный генератор;

ОЗУ - оперативное запоминающие устройство;

ОС - обратная связь;

ОУ - операционный усилитель;

пг - поплавковый гироскоп;

ПД - пиковый детектор;

пид - пропорционально-интегрально-дифференциальный (регулятор);

ПК - персональный компьютер;

плис - программируемая логическая интегральная схема

по - программное обеспечение

пп - переходное приспособление;

Пр - процессор;

ско - среднеквадратическое отклонение;

сн - система наблюдения;

СУ - система управления;

СУВК - система управления вторичными колебаниями;

СУОС - система управления ориентацией и стабилизацией;

СУПК - система управления первичными колебаниями;

СФ - скользящий фильтр;

ТКР - температурный коэффициент резистора;

УМ - усилитель мощности;

ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты;

ФД - фазовый детектор;

ФИ - формирователь импульсов;

ФНЧ - фильтр низких частот;

ФЧХ - фазо-частотная характеристика;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ЦР - цифровой регулятор;

ЦФАПЧ - цифровая фазовая автоподстройка частоты;

чэ - чувствительный элемент;

эсс - электростатическое соединение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система управления микромеханического вибрационного гироскопа с совмещенными частотами возбуждения и съема»

Введение

Актуальность работы. Микромеханические вибрационные гироскопы (МВГ) - гироскопы, создаваемые на основе МЭМС-технологии, в своих многочисленных реализациях подтвердили целый ряд преимуществ перед традиционными гироскопами (поплавковые (ПГ), динамически-настраиваемые (ДНГ), волоконно-оптические (ВОГ)). К бесспорным преимуществам ММГ относятся малые габариты, низкое энергопотребление, быстрое время готовности и низкая рыночная стоимость [41]. При этом ММГ по сравнению с гироскопами традиционных типов принято относить к грубым чувствительным элементам.

Разработка микромеханических гироскопов для космических применений диктуется современной тенденцией миниатюризации космических аппаратов: созданием малоразмерных, микро- и наноспутников, которым требуется система управления ориентацией и стабилизации (СУОС), в состав которой входят гироскопы - датчики угловой скорости. В работе [1] проведён анализ запросов и возможностей потребителей гироскопов на рынке систем управления орбитальных космических аппаратов. Этот рынок условно разделён на три сегмента.

Первый сегмент - это космические станции и научно-исследовательские спутники крупных размеров. Для таких объектов первостепенное значение имеют такие характеристики, как надежность, точность и гарантированный ресурс, который должен составлять 10- 15 лет. Что касается диапазона угловых скоростей, габаритно-массовых характеристик, энергопотребления и стоимости, то к ним не предъявляется жестких требований. Гироскопические приборы, наиболее подходящие для данной категории космических объектов -это ПГ с газодинамической скоростной опорой (ГДО) и магнитным центрированием поплавка.

Второй сегмент - это телекоммуникационные и навигационные спутники, аппараты для дистанционного зондирования земли и т.д. Для данного типа объектов требования по габаритно-массовым характеристикам, диапазону угловых скоростей, энергопотреблению и стоимости значительно жёстче, чем для объектов, относящихся к первому сегменту, но требования к точности могут быть снижены на порядок и более. Гироскопические приборы, которые можно выбрать для данного сегмента - это ДНГ с ГДО.

Третий сегмент - это мини-(100-500 кг), микро-(10-100 кг) и наноспутники(1-10 кг), классификация дана в соответствии с таблицей КА, приведенной в статье [29]. Для таких аппаратов требования к габаритно-массовым, энергетическим и стоимостным показателям имеют первостепенное значение. Для этого сегмента необходима разработка мнкромеханических вибрационных гироскопов достаточно высокой точности. Следует отметить, что в данном обзоре рынка систем управления орбитальных космических аппаратов не были охвачены перспективные твердотельные инерциальные чувствительные элементы, такие как ВОГ, а они находят свое применение при создании бесплатформенных командно-измерительных приборов [44].

На базе гироскопа созданного для космических применений можно разрабатывать приборы для других областей, например, военной. Что касается рынка микромеханических гироскопов средней и грубой точности (от 100 до 1000 °/час) применительно к автомобильной промышленности или другим гражданским применениям, таким как, стабилизация изображений в фото- и видеокамерах, робототехнике и т.п., то следует отметить, что этот рынок перенасыщен. В этом сегменте сильные позиции завоевали фирма Analog Device [34], Murata [36] и ряд других. По-видимому, российским разработчикам и изготовителям микромеханических гироскопов в этом направлении ориентировать свою деятельность нецелесообразно.

Мировые тенденции улучшения точностных характеристик МВГ, на примере углового случайного блуждания (УСБ), хорошо отражает Рис. В.1, опубликованный в работе[51].

102

"С4

■с

£

¿е , 5 ю1

Е «

с ш

о:

о» о> с

10Р

1СГ1

10"

10

Performance Improvement is about 10X every two years

*

i

i

i

Year

i

t

t

i

i

Рис. В.1. Тенденции улучшения У СБ по годам [51] Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

1. рынок микромеханических гироскопов интенсивно развивается;

2. в России актуальным является создание микромеханических гироскопов для космического применения;

3. в ближайшие годы потребности космических и военных применений будут диктовать достижение нестабильности нулевого сигнала МВГ в пределах 1-10 град/ час. При этом такие гироскопы должны будут обеспечивать чрезвычайно широкий диапазон эксплуатационных требований:

• полосу пропускания частот от 5 до 50 Гц;

• стойкость к линейной перегрузке от 10 § до 1000 §;

• диапазон измеряемых угловых скоростей от 1 град/сек до 1000 град/сек;

• диапазон эксплуатационных температур: -50 ... + 85 °С.

Постановка задачи

Одним из средств повышения точности МВГ является использование для выходного канала высокодобротного колебательного контура в резонансном режиме. Применение резонансного режима имеет ряд трудностей, связанных с возникновением погрешности поддержания колебаний в выходном канале и замедленной реакции колебательной системы. По мере приближения к резонансу чувствительность прибора возрастает, а полоса пропускания сужается, становясь вблизи него неприемлемой для практических применений. Помимо перечисленных трудностей, существуют и другие конструктивные и технологические проблемы, усиливаемые резонансом: компенсация квадратурной помехи и снижение (компенсация) влияния нелинейных эффектов. Создание системы управления (СУ) МВГ, обеспечивающей резонансный режим работы с необходимой полосой пропускания и компенсирующей квадратурную помеху и нелинейные эффекты, является актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертации является разработка и исследование принципов построения СУ МВГ с резонансным режимом работы, разработка научно-обоснованных методов измерения и компенсации квадратурной помехи, нелинейных эффектов и обеспечение необходимой полосы пропускания.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведен анализ схем СУ, на основании которого выбрана схема с раздельным импульсным управлением амплитудами и фазами колебаний МВГ резонансного типа, проведено ее теоретическое описание и осуществлена ее реализация.

2. Разработана математическая модель МВГ, учитывающая физические механизмы основных погрешностей прибора, позволяющая определить на этапе разработки характеристики гироскопа для заданных условий эксплуатации.

3. Создан алгоритм управления МВГ, компенсирующий квадратурную

помеху и нелинейные эффекты.

4. Предложены следующие методики:

- модифицированная методика определения рабочих зазоров, исключающая влияние паразитных емкостей;

- методика определения квадратурной помехи, позволяющая разделить вклады механической и электронной подсистем МВГ;

- методика определения полосы пропускания с использованием возможностей СУ МВГ по имитации изменения частоты входного сигнала.

5. Экспериментально подтверждена работоспособность схемотехнических решений и достижимость уровня нестабильности скорости ухода менее 10 7час при полосе пропускания порядка 40 Гц.

Объектом исследования является МВГ с совмещенными частотами возбуждения и съема информации с кремниевым подвесом и емкостными датчиками положения (ДП) и датчиками силы (ДС).

Предметом исследования являются схемотехнические решения МВГ с совмещенными частотами возбуждения и съема информации.

Методы исследования

Для решения поставленной задачи в работе использовались методы и аппарат теоретической механики, теории колебаний, теории автоматического управления, цифровой обработки информации, математического анализа и компьютерного моделирования.

Научная новизна работы:

1. Создана математическая модель МВГ, позволяющая на этапе проектирования оценивать точностные характеристики МВГ, учитывающая нелинейность выходного сигнала емкостного моста, нелинейную зависимость характеристики датчика момента от изменения рабочего зазора и неортогональность осей подвеса, которая характеризует квадратурную помеху.

2. Установлена аналитическая зависимость влияния погрешностей исполнения зазоров на точностные параметры МВГ.

3. Разработан и экспериментально подтвержден новый метод определения квадратурной помехи по кривым выбега при свободном движении, возникающей из-за технологических погрешностей изготовления чувствительного элемента (ЧЭ) и неидеальностей системы наблюдения (СН).

Практическая ценность:

1. Предложенный алгоритм управления, обеспечивает компенсацию квадратурной помехи, на порядок уменьшает нелинейность емкостного датчика силы, компенсирует погрешность, вызванную асимметрией зазоров внутренней и наружной рамок, и снижает уровень фазовых шумов выходного сигнала, что позволяет повысить точность МВГ.

2. Разработанная модифицированная методика определения зазоров в емкостных датчиках исключает влияние паразитных емкостей, за счет чего повышается точность определения величин рабочих зазоров.

3. Разработанная методика определения составляющих квадратурной помехи на выбеге обеспечивает возможность на этапе производства ЧЭ определять их величины.

4. Предложенная методика определения полосы пропускания с использованием возможности СУ имитировать изменение входной угловой скорости позволяет определять ее величину без использования скоростного стенда.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием корректных математических приемов, сопоставлением аналитических результатов, данных, полученных в ходе математического моделирования и экспериментальных исследований.

Реализация и внедрение результатов. Результаты, полученные в диссертации, используются в филиале ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИ ПМ им. академика В.И. Кузнецова» в опытно-конструкторских и научно-исследовательских работах при разработках, изготовлении и проведении испытаний микромеханических вибрационных гироскопов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Импульсное управление амплитудами и фазами позволяет поддерживать резонансный режим работы в высокодобротном колебательном контуре МВГ с высокой точностью.

2. Алгоритм управления с компенсацией квадратурной помехи, нелинейности в электростатических датчиках силы и асимметрии зазоров в электростатических датчиках силы обеспечивает требуемые точностные характеристики МВГ для космических применений.

3. Расчетно-аналитическая модель МВГ, учитывающая квадратурную помеху и нелинейности выходного сигнала емкостного моста и элементов СУ, позволяющая оценить характеристики СУ и выходные параметры МВГ, применима на этапе разработки приборов такого типа.

Апробация работы:

Основные положения диссертации докладывались на четырех международных конференциях (на XXII международной конференции по интегрированным навигационным системам, г. Санкт-Петербург, 2015; на XVII международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России (материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники)», г. Москва, 2011; на международной конференции «Микро- и наноэлектроника 2012», г. Звенигород; на 3-й международной научно-технической конференции «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике. Микроэлектроника и пассивная электронная компонентная база», г. Зеленоград, 2012), на семи научно-технических конференциях (XXVIII Всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов «Датчики и системы - 2009», г. Пенза; «Новые материалы и технологии в ракетно-космической технике», Звездный городок, 2011; II Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» («II Козловские чтения»), г. Самара, 2011; Молодежная конференция Московского отделения Академии навигации и управления движением,

г. Москва, 2011; XIX Научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов, посвященная 50-летию первого полета человека в космос, г. Москва, 2011; II Всероссийская научно-техническая конференция «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами, г. Москва, 2012; Научно-технический семинар кафедры «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, 2013).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 13-и научных работах, в том числе в трех статьях в журналах, входящих в перечень рецензируемых журналов ВАК РФ, общим объемом 2,12 п. л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 66 наименований. Работа изложена на 190 страницах со 130 рисунками и 31 таблицей в тексте.

Глава 1. Особенности работы микромеханического вибрационного гироскопа с резонансным выходом

1.1. Обзор конструктивных схем

Примером настройки в резонансный режим работы может служить статья [3], в которой у авторов стояла задача регулировать собственную частоту колебаний применением контура обратной связи, сформированной пакетом LabVIEW. В статье сообщается, что удалось получить длительность переходного процесса порядка единиц секунд, а точность поддержания частоты колебаний в резонансе порядка 0,003 Гц.

Другой способ обеспечить резонансный режим в выходном канале МВГ рассматривается в работе [4]. В этом случае резонанс в выходном канале обеспечивается тем, что используется две степени свободы в канале возбуждения, причем собственные частоты этих контуров охватывают собственную частоту выходного канала. Достоинством такого способа является отсутствие необходимости управлять частотой выходного канала, но при этом амплитуда возбуждения оказывается недостаточно стабильной, что отрицательно сказывается на стабильности погрешностей МВГ.

Ещё один путь создания МВГ, работающего в резонансном режиме, показан в патенте США The Charles Stark Draper Laboratry [49]. В МВГ R-R типа, ориентированного на космическое применение, предлагается для настройки в резонанс и для борьбы с влиянием канала возбуждения на выходную ось, конструкция с ослабленным влиянием на разность собственных частот по осям возбуждения и съема разности жесткостей торсионов (Рис. 1.1).

Рис. 1.1. К описанию конструкции МВГ The Charles Stark Draper Laboratory [49]

Симметричная конструкция данного МВГ включает в себя инерционную массу 12, соединенную с опорной рамкой 14, которая используется, как для возбуждения колебаний, так и для съема информации. Опорная рамка соединена через две пары торсионов 16, 18, 20, 22 с основанием 24. Данная конструкция получила название «клеверный лист». При любом неравенстве жесткостей торсионов 18 и 16 (Рис. 1.1) жесткости вокруг осей 0у и 0х равны. Это идеальный случай. Если же допустить отклонение положения 0у и Ох от этого идеального положения на малый угол и и добавить погрешности установки инерционной массы, то при допусках на изготовление торсионов порядка 0,1 мкм настройка в резонанс может быть осуществлена с точностью 0,025 Гц при собственной частоте 500 Гц. Из этого следует, что инструментальные погрешности выполнения размеров МВГ не могут обеспечить точной настройки в резонанс и как следствие - использование большой добротности кремния для достижения высокой точности. Необходима регулировка собственной частоты. Есть два способа её регулировки: первый -создание обратной связи в соответствующем канале, второй - использование электростатического ДС, создающего при приложении «постоянного» напряжения отрицательный момент[9]. Лаборатория реактивного движения (1РЬ), стала продолжателем идеи конструкции типа «клеверный лист» [54] и для настройки в резонансный режим работы использовалась регулировка собственной частоты «постоянным» напряжением. Специально для этого в конструкцию были введены дополнительные электроды электростатических датчиков сил (Рис. 1.2).

Рис. 1.2. Конструкция МВГ Л>Ь Электроды Сь Сг служат для возбуждения первичных колебаний, Б], §2, 84 - электроды для съема информации, Бь Сз, С4 - электроды, регулирующие собственные частоты. В результате, на одном из опытных образцов при разнице частот 0,2 Гц (частота возбуждения - 2,7188 кГц) вкупе с добротностью по выходной оси 76000 была достигнута нестабильность нулевого сигнала 2 °/час.

Некоторые мировые и российские достижения в области разработки микромеханических гироскопов [34] ... [40] представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

Мировые и российские достижения в области разработки микромеханических

гироскопов

Производитель Масштабный коэффициент, мВ Угловое случайное блуждание, Нестабильность нулевого сигнала, о

о/ сек л/час час

Analog Devices (ADXRS614) 25 1,32 22

InvenSense (IDG-16) 4 0,84 -

Northrop Grumman (MAG-16) 36 1,8 10

Таблица 1 (продолжение)

Bosch (SMG061) 25 - -

Silicon Sensing (SiRRSOl) 20 0,2 3

Sensonor (SAR 150) - 0,8 50

ЗАО»ИТТ» (КМГ-1) 10 1 30

ОАО ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР» (ММГ-2) 3,3 4,1 50

ЗАО «АИСЕНС» (АИСТ-120) - 0,15 5

МГТУим. Н.Э. Баумана 10 - 72

В Таблице 1 представлен неполный список разработчиков МВГ. Также среди разработчиков можно отметить DTS, Inertial Science, Kionix, Melexis, MemSense, O-Navy, SBG Systems и др.

1.2. Описание конструкции МВГ разработки НИИ ПМ

МВГ любой конструкции [8] представляет собой массу в упругом подвесе, приводимую в колебательное движение относительно основания. Переносное угловое движение массы вместе с Землей (или объектом, вращение которого необходимо обнаружить) приводит при наличии относительной скорости массы к появлению Кориолисовых сил, изменяющихся также колебательно. В зависимости от конструкции МВГ эти силы вызывают те или иные колебательные движения деталей относительно друг друга или основания с амплитудой, пропорциональной угловой скорости вращения объекта.

Наиболее близким по своей технической сущности к конструкции НИИ ПМ является МВГ The Charles Stark Draper Laboratry [48] (Рис. 1.3), содержащий корпус 8, внутреннюю рамку 30 с размерами 125x125 мкм, с инерционной массой 31, наружную рамку 32 - прямоугольное кольцо шириной 50 мкм размером 250x250 мкм, две пары торсионов 20, 22, 24, 26 по взаимноортогональным осям, соединяющих внутреннюю рамку с наружной и

наружную рамку с корпусом, датчики момента по оси наружной рамки 46,48 и датчики угла по оси внутренней рамки 40, 42.

г лх/э

Y AXIS

Х'AXIS X AXIS

Ю-

isff^i

Z AXIS t

Рис. 1.3. Конструкция МВГ The Charles Stark Draper Laboratry Недостатком известного МВГ является его малая точность (масштабный коэффициент составляет всего 0,8 мВ/°/сек) вследствие нестабильности его

статических и динамических параметров.

Очевидно, что обеспечить высокую стабильность статических и

динамических параметров можно введением СУ. Собственно, в СУ и

заключается одна из основных особенностей МВГ разработки НИИ ПМ.

МВГ НИИ ПМ (Рис. 1.4) представляет собой рамочную конструкцию - типа [5], [7]. Основными элементами прибора являются внешняя (канал р) и внутренняя (канал у) рамки, инерционная масса и торсионы. Инерционная масса обладает двумя степенями свободы и может поворачиваться на малые углы вокруг осей (3 и у.

Инерционная масса

Наружная

Торсионы

Рис. 1.4. Конструктивная схема МВГ Механический колебательный модуль с составляющими его элементами (корпус, крышка, кремниевый подвес, стеклянная плата, экран, геттер) показан на Рис. 1.5.

герметичный корпус * 1 %

геттер экран

Рис. 1.5. Механический колебательный модуль Размеры механической платы в плане составляют 9x7 мм. Корпусная (неподвижная) часть со стороны, которой она в дальнейшем будет соединена со стеклом, имеет выступы, высотой номинально 0,006 мм. За счёт высоты этих

выступов формируется рабочий зазор между электродами датчиков сил и перемещений, нанесённых на плату электрическую, и механической платой. Торсионы внутренней и наружной осей имеют одинаковые сечения 0,072х 0,295 мм. Инерционная масса представляет собой два груза цилиндрической формы из вольфрама 01,5 х 0,82 мм массой 0,0279 г.

Геометрические размеры элементов кремниевого подвеса подобраны таким образом, чтобы собственные частоты вокруг осей торсионов номинально совпадали. Технологически невозможно обеспечить равенство собственных частот, поэтому для компенсации возникающей разницы частот предусмотрена соответствующая регулировка с помощью системы управления. Необходимость совмещения собственных частот - одна из главных конструктивных особенностей практически любого МВГ.

Плата электрическая показана на Рис. 1.6. Она изготовлена из стеклянной пластины толщиной 2,5 мм. На стеклянной пластине методом напыления алюминия А-99 толщиной 0,001 мм нанесены электроды датчиков силы и перемещения по внутренней и наружной осям подвеса, причем электроды нанесены так, чтобы напротив них при установке на пластину электрическую платы механической - подвеса - располагались внутренняя и наружная рамки, являющиеся общим электродом датчиков перемещения и датчиков силы по наружной и внутренней осям подвеса.

ДП1Л ДС4Л гДС2

ДС5

ДС6

Рис. 1.6. Плата электрическая

На плату электрическую кремниевый подвес устанавливается упомянутыми ранее выступами. Крепление производится методом электростатического соединения.

Таким образом, после соединения кремниевого подвеса и платы электрической из стекла образуются емкостные датчики перемещения ДП1, ДП2, ДПЗ, ДП4 и датчики силы ДС1, ДС2, ДСЗ, ДС4, ДС5, ДС6. Сборка плат механической и электрической образуют измерительный блок, который устанавливается в корпус и закрывается крышкой. Корпус и крышка изготавливаются из сплава 29НК.

Назначение корпуса состоит не только в защите измерительного элемента от окружающей среды, в формировании базы для его ориентации и крепления в изделии, но и сохранении вакуума во внутренней полости в течение всего времени эксплуатации.

1.3. Критичные технологические операции

Основные критичные операции, непосредственно влияющие на точностные параметры МВГ следующие [31]:

• технология формирования механической платы: при формировании кристалла методом анизотропного травления кремния необходимо контролировать длину и ширину формируемых торсионов, так как их отклонения от номинальных значений приводит к значительному разбросу собственных частот;

• технология электростатического соединения (ЭСС) механической и стеклянной плат. Неотработанность режимов процесса электростатического соединения может приводить к возникновению деформаций механической платы;

• герметизация ЧЭ. Важность операции вакуумирования для МВГ заключается в обеспечении принципиальной возможности реализации вибрационного режима функционирования ЧЭ с высокой добротностью. Среднее время выполнения операции составляет (20 - 30) ч непрерывной откачки. Экспериментально определено [31], что необходимый уровень

давления оставшихся газов в полости не должен превышать (1 - 3)-10"5 мм рт. ст. Важно также сохранность уровня вакуума на срок эксплуатации;

• Сборка подвеса с инерционными массами. Эта операция производится вручную с помощью специального приспособления. Погрешность установки составляет 15 мкм. Эта операция достаточно трудоемкая и приводит как к удорожанию изготовления МВГ и увеличению времени изготовления ЧЭ, так и к основному вкладу в такую погрешность, как квадратурная помеха.

Для повышения точностных характеристик прибора необходимо как совершенствование технологии изготовления МВГ, так и доработка конструкции. Совершенствование технологии изготовления можно осуществить, например, заменой анизотропного травления на ионно-плазменное [64], [65]. На Рис. 1.7 показаны: слева - кремниевый подвес, сформированный методом анизотропного травления, справа - подвес, полученный методом ионно-плазменного травления.

Рис. 1.7. К сравнению методов формирования кремниевого подвеса

При использовании анизотропного травления значительно ухудшается точность формирования торсионов из-за «подтравов», что приводит к значительному разбросу собственных частот.

Доработка конструкции может заключаться в избавлении от такой операции, как сборка подвеса с инерционными массами. Установка инерционных масс ведёт как к возникновению квадратурной помехи, при

неточном центрировании, так и к деформации внутренней рамы кремниевого повеса за счёт внутренних напряжений. На Рис. 1.8 показана интерференционная картина внутренней рамки с грузами.

Рис. 1.8. Интерференционная картина внутренней рамки с грузами Различие ширины интерференционных полос, наблюдаемых одновременно на двух сторонах рамки, показывает, что плоскости этих сторон образуют двугранный угол, ребро которого обращено вниз. Двугранный угол отличается от 180 град, на ~ 10 угл. мин., что соответствует отклонению одного торцевого края рамки относительно другого на величину ~ 5 мкм. Таким образом, деформация внутренней рамки может быть представлена в виде ее «излома» вокруг оси Y с относительно небольшим разворотом плоскостей лепестков. Причиной этих деформаций являются внутренние напряжения в соединительных поверхностях грузов с внутренней рамкой, возникающие в процессе электростатического соединения. Это подтверждается тем, что на образце с неустановленными грузами деформации отсутствуют.

Исключить из МКМ инерционную массу можно при использовании конструкции МВГ с разнесенными частотами возбуждения и съема информации [45], [33]. Все вышесказанные рассуждения отражены в Таблице 2.

Таблица 2.

Основные недостатки критичных технологических операций и методы их

устранения

Критичная операция Недостатки Методы устранения

Формирование механической платы Сложность обеспечения заданной геометрии торсионов Использование ионно-плазменного травления

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тарасов, Александр Николаевич, 2015 год

Список литературы

1. Гироскопические чувствительные элементы для систем управления ориентацией и стабилизации орбитальных космических аппаратов / В.П.Доронин [и др.] // 8-я Международной конференции по интегрированным навигационным системам: Сборник материалов. Санкт-Петербург. 2001. С. 127138.

2. Precision micromechanical gyro: pathway to advance / V. Doronin [et al.] // Proc. Navigation Technology for the 3-rd Millenium. Boston. 1996. C. 469-475.

3. Kutin, J., Smrecnik, A., Bajsic, I. Phase-locking control of the Coriolis meter's resonance frequency based on virtual instrumentation // Sensor and Actuators A: Physical, ISSN 0924-4246, 2003, vol.104. No.l. P. 86-93.

4. Cenk Acar. Robust Micromashined Vibratory Gyroscopes: dissertation, University of California. Irvine. 2004.480 p.

5. A.C. Неаполитанский, Б.В. Хромов. Микромеханические вибрационные гироскопы. М.: «Когито-Центр», 2002. 122 с.

6. Разевиг В.Д. Система моделирования Micro-Cap 6. М.: Горячая линия -Телеком, 2001. 344 с.

7. Брозгуль Л.И., Смирнов Е.Л. Вибрационные гироскопы. М.: Машиностроение, 1970. 216 с.

8. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. М.: Машиностроение, 2007. 400 с.

9. Микромеханический вибрационный гироскоп (его варианты): патент 2085848 РФ / А.С. Неаполитанский [и др.]. Заявл. 27.12.95; опубл.27.07.97. Бюлл. № 21.

10. Тарасов А.Н. Результаты обработки кривых выбега МКС МВГ: Протокол КИНД.Э033.5701. Филиал ФГУП «ЦЭНКИ»-«НИИ ПМ», им. академика В.И. Кузнецова». М., 2008. 45 с.

11. JI. И. Мандельштам. Полное собрание трудов. Том IV. Лекции по колебаниям (1930-32 гг.) / Под. Ред. Академика М.А. Леонтовича. Издательство Академии Наук СССР, 1955. 511 с.

12. Ю.И. Иориш. Виброметрия. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. 1963.771 с.

13. Р. Дорф, Р. Бишоп. Современные системы управления. М.: Лаборатория Базовых Знаний. 2004. 832 с.

14. В. П. Митрофанов. Колебательные системы с малой диссипацией (от макро- до наноосцилляторов). М.: Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова. 2010. 74 с.

15. Протокол по результатам проведения входного контроля МКС, изготовленных в НИИФИ / А.Н. Тарасов [и др.]. Протокол КИНД.030.6522. Филиал ФГУП «ЦЭНКИ»-«НИИ ПМ», им. академика В.И. Кузнецова». М., 2006. 16 с.

16. Ларшин A.C. Протокол исследования отказавших МКС с зав. №№ 22, 02У, 01: Протокол КИНД.Э033.5677. Филиал ФГУП «ЦЭНКИ»-«НИИ ПМ», им. академика В.И. Кузнецова». М., 2008. 21 с.

17. A.C. Ковалев. Управление первичными и вторичными колебаниями микромеханического гироскопа: дис. ... канд. тех. наук. Санкт-Петербург. 2008. 158 с.

18. Ю.А. Пономарев. Двухкоординатный компенсационный микромеханический гироскоп: дис. ... канд. тех. наук. Москва. 2013. 265 с.

19. Т.А. Беляева Методы компенсации квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе RR-типа: дис. ... канд. тех. наук. Санкт-Петербург. 2009. 125 с.

20. A. Haarahiltunen, A. Vurpala, H. Savin Modeling the effect of mobile ion contamination on the stability of a micromechanical resonator // Journal of Applied Physics. Published by the American Institute of Physics doi: 10.1063/1.3622511. 110.043505. 2011. P. 1-5.

21. Разработка и изготовление блока электроники и программного обеспечения системы управления гироскопом: Отчет по научно-исследовательской работе «БЭ ММВГ» / ФГУП «ЦНИИТОЧМАШ». Исполнители Алексеев Е.Г., Фёклин А.А., Степанова Е.С. М., 2007. 66 с.

22. Экспериментальное определение зависимости параметров микромеханического вибрационного гироскопа от температуры / А.Н. Тарасов [и др.] // Научно-технический семинар «Системы управления, стабилизации, навигации, ориентации и их базовые элементы», посвящённый 75-летнему юбилею кафедры «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Н.Э. Баумана: Сборник материалов. М. 2013. С. 43.

23. Лестев М.А. Нелинейные задачи динамики вибрационных микромеханических гироскопов: дис. ... канд. физ.-мат.наук. Санкт-Петербург. 2007. 182 с.

24. Карелин, А. П. Влияние электростатической составляющей жесткости на динамику и погрешности микромеханического гироскопа / А. П. Карелин, М. А. Лестев. Навигация и управление движением: Материалы докладов VI конф. молодых ученых "Навигация и управление движением" / Под общ. ред. В. Г. Пешехонова - С.-Пб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2005, С. 149 - 153.

25. Анализ характеристик микромеханического гироскопа с нелинейной жесткостью подвеса / М.И. Евстифеев и [др.] // Известия ТРТУ. Таганрог, 2004. №9 С.204-209.

26. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука. 1991.255 с.

27. Оценка нестабильности поддержания собственных частот микромеханического вибрационного гироскопа. / А.Н. Тарасов [и др.] // Научно-технический семинар «Системы управления, стабилизации, навигации, ориентации и их базовые элементы», посвящённый 75-летнему юбилею кафедры «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Н.Э. Баумана: Сборник материалов. М. 2013. С. 30-31.

28. Тарасов А. H. Результаты испытаний макета микромеханических вибрационных гироскопов по оценке полосы пропускания частот и точности поддержания резонанса: Статья // XXVIII всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных и специалистов «Датчики и системы - 2009». Пенза. 2009. С. 56-62.

29. Стреж, C.B. Создание космических систем на базе микроаппаратов: Статья / C.B. Стреж, Е. В. Трошин // Микросистемная техника. №11. 2003. С. 36-42.

30. Я.В. Беляев, Я.А. Некрасов. Результаты экспериментальной проверки работы ММГ RR-Tima в режиме совмещенных резонансных частот при больших добротностях контура вторичных колебаний: Реферат докл. // XIX международная конференция по интегрированным навигационным системам: Сборник материалов.2012. Санкт-Петербург. 2012. С.29-31.

31. Отчет о разработке экспериментальной технологии изготовления микромеханических вибрационных гироскопов / ОАО «НИИФИ». Исполнители A.A. Папко и [др.], Инв. №500/586. Пенза. 2013. 61 с.

32. Отчет по математическому моделированию параметров гироскопа / Филиал ФГУП «ЦЭНКИ»-«НИИ ПМ», им. академика В.И. Кузнецова». Руководитель темы A.C. Неаполитанский. Исполнители Тарасов и [др.] INTA5 Ref. Nr 03-53-4456. M., 2004. 83 с.

33. Микромеханический вибрационный гироскоп: патент 2178548 РФ / Неаполитанский [и др.]. Заявл. 19.04.00; опубл.20.01.02. Бюлл. № 32.

34. Электронный адрес компании Analog Devices. URL: http://www.analog.com/ru/products/sensors/mems-gyroscopes.html (дата обращения 24.05.2015)

35. Электронный адрес компании BOSCH. URL: http://www.bosch-semiconductors.de/en/ubk_semiconductors/safe/airbag_systems/angular_rate_sensors /angular_rate_sensors.html (дата обращения 24.05.2015)

36. Электронный адрес компании muRata. URL: http://www.murata.com/en-eu/products/sensor/gyro (дата обращения 24.05.2015)

37. Электронный адрес компании Silicon Sensing. URL: http://www.siliconsensing.com/products/gyroscopes/ (дата обращения 24.05.2015)

38. Электронный адрес компании Systron Donner. URL: http://www.systron.com/inertial-sensors/single-axis-gyroscope (дата обращения 24.05.2015)

39. Электронный адрес компании ISense. URL: http://www.isense.ru/perspektivnyie-razrabotki/ (дата обращения 24.05.2015)

40. Электронный адрес АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». URL: http://www.elektropribor.spb.ru/prod/rprod_list (дата обращения 24.05.2015)

41. Коновалов С.Ф. Вибрационные датчики угловой скорости / С.Ф. Коновалов и [др.] // Гироскопия и навигация. 2004. №1 (44). С. 107-118.

42. Бутенин, Н. В. Элементы теории нелинейных колебаний. М.: Судпромгиз, 1962. 196 с.

43. Кучерков, С. Г. Определение необходимой степени вакуумирования рабочей полости осциллятора микромеханического гироскопа // Гироскопия и навигация. 2002. № 1(35). С. 52-56.

44. Антонова М.В. Модель погрешностей волоконно-оптического гироскопа: дис. ... канд. тех. наук. Москва. 2014. 130 с.

45. Соловьёв A.B. Микромеханический вибрационный гироскоп с разнесенными частотами возбуждения и съема информации: дис. ... канд. тех. наук. Москва. 2014. 188 с.

46. Хромов Б.В. О свободных движениях МВГ: Неопубликованные рукописи. Москва. 6 с.

47. The micromechanical Coriolis rate sensor ^iCORS II / Geiger W. [et al.] // Symposium Gyro Technology. Stuttgart. 2003. P. 5.1-5.9.

48. Planar inertial sensor: Patent US 4598585 / Burton Boxenhorn filed 19.03.84; boxenhorn 08.07.86.

49. Symmetrical micromechanical gyroscope: Patent US 5203208 / Jonathan J. Bernstein filed 29.04.91; boxenhorn 20.04.91.

50. Mikko Saukoski. System and circuit design for a capacitive MEMS gyroscope: Doctoral Dissertation. Helsinki University of Technology Faculty of Electronics, Communications and Automation Department of Micro and Nanosciences. 2008. 271 p.

51. Ajit Sharma. CMOS systems and circuits for sub-degree per hour MEMS gyroscopes: Ph.D. Dissertation. Georgia institute of technology. 2007. 164 p.

52. Чурилов A.H. Исследование математических моделей нелинейных импульсных систем управления: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 2002. 300 с.

53. Тарасов А.Н. Влияние гистерезиса на параметры движения микромеханического вибрационного гироскопа камертонного типа // Сборник научных трудов студенческой научной конференции №1. М: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. С. 45-51.

54. High Performance MEMS Micro-Gyroscope / Sam Y. Bae [et al.] // Proc. SPIE 4755. Design, Test, Integration, and Packaging of MEMS/MOEMS 2002. 9 p.

55. A.A. Андронов, A.A. Витт, С.Э. Хайкин Теория колебаний. M.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. 916 с.

56. Е.А. Мокров, А.А. Папко Статико-динамические акселерометры для ракетно-космической техники. Пенза: ПАИИ, 2004. 164 с.

57. A.Srikantha Phani, Ashwin A Seshia Identification of Anisoelasticity and Nonproportional Damping in MEMS Gyroscopes // NSTI-Nanotech. Vol.2. 2004. P. 343-346.

58. Dynamically balanced microelectromechanical devices: Patent US 6571630 / Marc S. Weinberg, Kaplesh Kumar, A. Thomas King filed 23.03.00; boxenhorn 03.06.03.

59. Способ определения коэффициентов перекрестных жесткости и демпфирования подвеса микромеханического гироскопа и микромеханический гироскоп, в котором реализован данный способ: патент 2346239 РФ / Т.А. Беляева, Я.А. Некрасов. Заявл. 17.07.07; опубл. 10.02.09.

60. Digital readout electronics for micro-machined gyroscopes with enhanced sensor designs / T. Link [et al.] // HSG-1MIT. University Stuttgart. Tshinghua University. Symposium Gyro Technology. 2002. PP. 5.0-5.11.

61. Влияние температуры на динамические характеристики микромеханического вибрационного гироскопа / Тарасов А.Н. и [др.] // 3-я международная научно-техническая конференция «Технологии микро - и наноэлектроники в микро - и наносистемной технике. Микроэлектроника и пассивная электронная компонентная база»: Сборник материалов. Зеленоград, 2012. С. 67-72.

62. Лихошерст В.В. Микромеханические приборы информационно-измерительных систем определения параметров движения с улучшенными характеристиками: дис. ... канд. тех. Наук. Тула, 2008. 141 с.

63. Отечественный микромеханический гироскоп R-R типа. Результаты разработки, изготовления и испытаний / А.Н. Тарасов [и др.] // XXII международная конференция по интегрированным навигационным системам: Сборник материалов. СПб, 2015. С. 263-268.

64. Изготовление кремниевого чувствительного элемента микромеханического вибрационного гироскопа / А.Н. Тарасов и [др.] // Наноинженерия. Том 2. Вып. 8.М., 2012. С. 12-18.

65. The mode matching technology for MEMS gyroscopes with mutually spaced eigenfrequences / A. Tarasov [et al.] // International Conference «Micro- and Nanoelectronics - 2012»: Book of abstracts. Moscow, Zvenigorod. 2012. P. 30-33.

66. Способ измерения зазора между электродами и подвижной массой микромеханического устройства и устройство для его реализации: патент 2338997 РФ / Я.А. Некрасов, Я.В. Беляев. Заявл. 13.07.06; опубл. 20.11.08. Бюлл. № 32.