Перспективные разработки в области создания приборов и датчиков кинематических параметров

Одним из современных направлений в области разработок датчиков кинематических параметров является создание микромеханических гироскопов (ММГ). Эта область традиционно считалась малоперспек­тивной для задач управления движущимися объек­тами и навигации и серьезно не рассматривалась в научных и инженерных кругах [9]. Но в последнее вре­мя ситуация резко изменилась, и в печати одно за другим стали появляться сообщения о новом классе гироскопических чувствительных элементов, полу­чивших название микромеханических. Это одноос­ные гироскопы вибрационного типа, изготавливае­мые на базе современных кремниевых технологий. ММГ представляет собой своеобразный электрон­ный чип с кварцевой подложкой площадью в не­сколько квадратных миллиметров, на которую мето­дом фотолитографии наносится плоский вибратор.

Точность полученных к настоящему времени ММГ находится на невысоком уровне, но ожидается, что ее можно будет повысить на порядок. Тем не менее, несмотря на меньшую в сравнении с прочими гироскопами точность, микромеханические гироскопы обладают целым рядом уникальных достоинств, что делает их незаменимыми для многих применений.

Прежде всего – это малые габариты и масса, во много раз меньшие, чем у любого другого гироскопа. Датчики угловой скорости типа ADXRS150 и ADXRS300 фирмы Analog Devices выпускаются в миниатюрных корпусах размером 7×7×3 мм, вес такого прибора не превышает 0,5 г. Рекордно низкие массогабаритные показатели чувствительных элементов, обеспечиваемые микромеханической технологией MEMS, сочетаются с интеграцией всех необходимых электронных схем обработки сигнала в одной микросхеме

Важнейший для портативных автономных устройств параметр – это энергопотребление. Гироскопы ADXRS150 и ADXRS300 потребляют ток величиной 5 мА при номинальном напряжении питания 5 В. Этот параметр у ММГ сильно отличается в меньшую сторону по сравнению с прочими гироскопами [8].

Низкая стоимость датчиков угловой скорости (не превышающая десятков долларов) также ставит их в обособленное положение среди других гироскопов.

Кроме того, гироскопы отличаются высокой надежностью. В данных приборах для повышения надежности (впервые в коммерчески доступных гироскопах данного класса) предусмотрена встроенная система полного механического и электронного автотестирования, которая функционирует без необходимости отключения датчиков. Патентованные решения, которые воплощены в технологии MEMS, обеспечивают экстраординарную устойчивость датчиков к ударам и вибрации. Например, гироскопы ADXRS выдают стабильный выходной сигнал в присутствии механических шумовых колебаний с величиной ускорения до 2000 g в широком диапазоне частот.

Достигнутые характеристики постоянно повышаются благодаря совершенствованию технологии MEMS. Таким образом, сочетание уникальных показателей сразу по многим параметрам позволяет данным приборам служить средством как для улучшения характеристик и возможностей имеющихся разработок, так и для воплощения новых, беспрецедентных конструкторских идей [8].

На сегодняшний день патенты на различные технические решения в области разработок микромеханических чувствительных элементов БИНС получены рядом ведущих зарубежных фирм [17]. Среди них фирмы США:

· ведущие аэрокосмические и электронные корпорации (Hughes Electronics Corporation, Boeing North American, Rockwell International Corporation, Northrop Grumman Corporation, Litton Systems, Motorola, Analog Devices);

· фирмы, специализирующиеся на навигационном и микромеханическом направлениях (Microsensors, Magellan Dis, Irvine Sensors, Milli Sensor Systems and Actuators, AlliedSignal, SatCon Technology, Kearfott Guidance & Navigation, Integrated Micro Instruments);

· университетские лаборатории (CalTech, University of California) или их представляющие подразделения и сотрудники.

В Японии:

· ведущие электронные и промышленные корпорации (Akai Electric. Fujitsu, NEC, Denso, Nippon Soken, Toyota, Sumitomo Electric Industries, Matsushita Electric Industrial);

· фирмы, специализирующиеся на навигационном и микромеханическом направлениях (Murata Manufacturing, Tokimec, NGK Insulators).

В Великобритании: ведущие аэрокосмические и электронные корпорации (British Aerospace, Smiths Industries, Smiths Industries).

Среди производителей Южной Кореи: ведущая электронная корпорация Samsung Electronics и государственный институт Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Среди предприятий Германии: ведущие электронные и промышленные корпорации -Robert Bosch, Siemens. Фирмы Франции представлены корпорацией SAGEM.

С определенным отставанием разработки осуществляются и в России. Начиная с 2001 г. в России были открыты свыше 100 НИОКР в области исследований и разработке MEMS.

Разработки БИНС в России проводятся Раменским проектно-конструкторским бюро (РПКБ), НИИ прикладной механики (НИИПМ) им. акад. В.И. Кузнецова, Московским институтом электроавтоматики (МИЭА), АО "Гранит-16", ЦНИИ "Электроприбор", НИИ "Полюс", НИИ "Астрофизика", Пермской научно производственной приборостроительной компанией (ПНППК), ЗАО "ГИРООПТИКА".[10].

В ЗАО "ГИРООПТИКА" разработаны датчики угловых скоростей на базе чувствительных элементов роторного и поступательного типов (рис.9).

Принцип действия чувствительного элемента угловой скорости основан на измерении параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции. Одной из основных особенностей элементов является использование при их производстве материалов и технологий современной твердотельной электроники.

Положительная особенность состоит в миниатюризации чувствительного элемента, обеспечивающей уникальное снижение массогабаритных характеристик. Миниатюризация чувствительных элементов приводит к тому, что вследствие малой массы и размеров вибрирующие конструктивные элементы имеют высокую частоту собственных колебаний (единицы и десятки килогерц). При этом амплитуды колебаний весьма малы и могут составлять несколько микрометров. Для того, чтобы обеспечить достаточную точность преобразования в конструкциях осцилляторов используются материалы с малыми внутренними потерями и обеспечивается резонансная настройка осцилляторов.

Рис. 9 Конструктивные схемы микромеханических чувствительных элементов угловой скорости Микромеханический гироскоп поступательного типа изготовлен в виде капсулы. Размещение токоподводов 4 внутри платы 1 позволяет укоротить выводы от чувствительного элемента 2 и тем самым уменьшить паразитные емкости, что в конечном итоге позволяет повысить точность и надежность микромеханического гироскопа. Крышка 3 выполняет также функцию ограничителя перемещений инерционной массы 2 при вибрациях и ударах [10]. Рис. 10 Микромеханический гироскоп Где: 1- кремниевая плата (корпус); 2- чувствительный элемент сейсмической массы (осциллятора); 3- крышка, выполненная из диэлектрического материала; 4- токоподводы. Гироскоп ADXRS фирмы Analog Devices представляет собой интегральную микросхему (рис.11). Он выполнен на одном кристалле кремния и включает в себя все необходимые электронные схемы формирования сигнала [8]. Рис.11 Внешний вид кристалла гироскопа при большом увеличении

Данный прибор представляет собой доступный гироскоп, имеющий встроенную схему автотестирования с цифровым управлением, которая работает при активном датчике. В составе микросхемы присутствует датчик температуры для осуществления калибровки устройства и компенсации погрешности, вызванной изменением температуры, также на кристалле имеется источник опорного напряжения [8].

Фирма BRITISH ATROSPACE System and Equipment рекламирует образец кремниевого вибрационного гироскопа VSG, который совмещен с электроникой управления и заключен в System and Equipment щшъ герметичный корпус. Гироскоп обеспечивает измерение угловой скорости относительно од­ной оси и возможно его серийное производство при наличии заказа в двух версиях: для динамических измерений и для навигационных систем (рис.12).

Рис. 12 Варианты изготовления гироскопа:

а — динамическая версия; б — навигационная версия

 

Общий вид демонстрационной модели гироскопа показан на рис. 13.

 

Рис. 13 Общий вид гироскопа VSG

 

Из проведения обзора современных разработок в области измерителей кинематических параметров можно увидеть, что сегодня многие фирмы, как зарубежные, так и отечественные, занимаются созданием датчиков угловой скорости.