6 Гироскопы и акселерометры. Основные производители, устройство и принципы работы

6.1 Обзор малогабаритных акселерометров и ДУСов, основные производители

Разработки первых образцов БИНС относятся к концу 60-х - началу 70-х годов. Этому способствовало появление и совершенствование новых типов гироскопических чувствительных элементов - гироскопов с неконтактным подвесом, динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ), лазерных гироскопов (ЛГ), волоконно-оптических гироскопов (ВОГ), волновых твердотельных гироскопов (ВТГ), малогабаритных акселерометров, а также бурное развитие средств вычислительной техники.

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" и др [17].

6.1.1 Малогабаритные акселерометры, характеристики и производители

Характеристики современных отечественных малогабаритных акселерометров приведены в таблице 6.1.

Представленные в таблице маятниковые акселерометры имеют дрейф смещения нуля сигнала в запуске порядка 10^-3g, нестабильность масштабного коэффициента (0,01-0,15)%.

Рекомендуемые материалы

Акселерометр А-12 -монокристаллический кремниевый, разработан Раменским приборостроительным конструкторским бюро (РПКБ). Акселерометры АК-5 и AT-1104 разработаны ОАО АНПП "Темп-Авиа" (г. Арзамас). Акселерометр AT-1104 представляет собой одноосный маятниковый акселерометр с упругим подвесом чувствительного элемента и выполнен из монокристаллического кремния. В состав акселерометра входит емкостный   датчик  угла,   встроенный  усилитель   обратной   связи   и  термодатчик. Акселерометр имеет герметичное исполнение.

Среди зарубежных акселерометров наибольший интерес представляют свободно продающиеся за рубеж монокристаллические кремниевые акселерометры ADXL05, ADXL150 и ADXL250 фирмы Analog Devices (США). Эти акселерометры по точности относятся к категории (10-3, 10-4) g. Размеры акселерометра ADXL05 в бескорпусном исполнении 0.7x5 мм, стоимость около 16$ США.

Таблица 6.1  Характеристики акселерометров

6.1.2 Малогабаритные гироскопы, характеристики и производители

К малогабаритным датчикам угловой скорости, которые могут быть применены в качестве датчиков первичной информации в перспективных навигационных системах, относятся динамически настраиваемые гироскопы, волоконно-оптические гироскопы и волновые твердотельные гироскопы, а также микромеханические гироскопы. Разработкой и производством ДНГ в России занимаются РПКБ, НИИ ПМ им. акад. В.И. Кузнецова, ОАО АНПП "Темп-Авиа". ЦНИИ "Дельфин", Пермское приборостроительное объединение и др. РПКБ приступило к разработке гироскопов на упругом подвесе с динамической настройкой в середине шестидесятых годов. В начале семидесятых были разработаны первые отечественные гироскопы ГВК-3, ГВК-3-1, ГВК-3-2. Это были гироскопы первого поколения с одной карданной рамкой в подвесе ротора. Дальнейшие исследования РПКБ привели к разработке гироскопа ГВК-6 - гироскопа второго поколения. Это гироскоп с двумя кардановыми рамками, что устраняет чувствительность к внешним воздействиям с двойной угловой частотой вибрации по отношению к частоте вращения вала гироскопа. В 1985 году был разработан и с 1988 года выпускается серийно датчик угловой скорости ДУС-ДНГ ГВК-10 со случайным дрейфом 0,2 град/ч и максимальной угловой скоростью измерения 128 град/с. Масса этого прибора составляет 460 г. С 1993 года выпускается прибор МГ-4 - малогабаритный гиротахометр (масса 220 г, габариты 042x47 мм), имеющий случайный дрейф 0,2 град/ч. На его базе разработаны приборы ГВК-16 и ГВК-16-1 - малогабаритные датчики угловой скорости со встроенной электроникой. Технические характеристики этих приборов и упомянутых выше приведены в таблице 2. В настоящее время РПКБ ведется разработка мультисенсорных датчиков ДМС-2 и ДМС-2А для одновременного измерения угловой скорости и линейного ускорения по одной оси [17].

Датчики состоят из пары кремниевых компенсационных электростатических акселерометров, каждый из которых установлен на двух пьезоэлектрических пластинчатых вибраторах. Принцип действия датчиков основан на измерении ускорения Кориолиса, возникающего при вибрации корпусов акселерометров и действии входной угловой скорости. Диапазон измерения угловых скоростей мультисенсорного датчика до 500 град/с, линейных ускорений - до 25 g. Случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала по угловой скорости составляет 5 град/ч, нестабильность масштабного коэффициента порядка 1 % при полосе пропускания до 50 Гц. Дрейф нулевого сигнала по

ускорению составляет 0,5-10^-4g, нестабильность масштабного коэффициента 0,1 % при полосе пропускания до 100 Гц. Габариты ДМС-2 составляют соответственно: 46x46x14 мм, ДМС-2А: 55x40x12 мм.

             В НИИ ПМ им. акад. В.И. Кузнецова на основе многолетнего опыта исследований, производства и испытаний гироскопов на упругом подвесе разработан и изготавливается ДНГ КИНД 05-049. Решение проблем упругого подвеса, скоростных шарикоподшипниковых опор, электропривода вала гироскопа позволило создать малогабаритный прибор, обладающий высокими техническими характеристиками и приемлемыми для использования в МИИМ массогабаритными характеристиками. КИНД 05-49 работает в условиях термостатирования при температуре 65 °С с погрешностью ±1 °С.

Большая часть существующих разработок ДНГ (МГ-4, ГВК-16, ГВК-16-1, КИНД 05-49 и др.) базируется на конструктивной схеме с двойным виброкардановым подвесом ротора. В связи со сложной технологией производства таких приборов их стоимость как в России, так и за рубежом весьма высока, а возможности уменьшения массо-габаритных характеристик можно считать практически исчерпанными. С этой точки зрения преимуществами обладает конструктивная схема с ротором, непосредственно подвешенным к валу приводного двигателя. Примером практической реализации этой схемы является малогабаритный роторный вибрационный гиротахометр РВГ-1 (ОАО АНПП "Темп-Авиа" и ЗАО "ГИРООПТИКА") [17]. Технические характеристики этого прибора приведены в таблице 6.2. Имея в виду, что подобные конструктивные схемы допускают применение планарных технологий, они обладают определенным резервом снижения габаритов и стоимости. При изготовлении самого деликатного узла - ротора на упругом подвесе с датчиком угла и датчиком момента, возможно применение неметаллических материалов (кварца, кремния) и технологических процессов, хорошо освоенных в электронной промышленности (травление, напыление и др.). Учитывая высокую степень автоматизации этих процессов, а также возможность интеграции при этом механической и электронной частей прибора, можно прогнозировать уменьшение его стоимости и габаритов.

         Из зарубежных ДНГ наиболее совершенным является гироскоп G2000, разрабо-танный фирмой Litton (США). Погрешность гироскопа находится на уровне 0,1 град/ч, габариты 019x25 мм, масса 25 г. Электроника, обеспечивающая работу гироскопа, размещена на отдельной электронной плате размером 76x102x25 мм. Следует отметить, что на поставку гироскопов фирмы Litton в зарубежные страны существует ряд ограничений, так как они являются изделиями двойного применения.

Вибрационные возмущения, обусловленные дефектами шарикоподшипников вала  - одни из основных причин погрешностей ДНГ. Поэтому не случайно, что усилия разработчиков ДНГ направлены на поиски методов уменьшения собственной вибрации гироскопа, вызванных вибрационными возмущениями шарикоподшипников вала, спектр которых является всюду плотным множеством на полуоси частот. Уменьшение собственной вибрации гироскопа может быть достигнуто усовершенствованием шарикоподшипниковых опор, применением шарикоподшипников с детерминированным спектром вибрации, состоящим из частот кратных частоте вращения кольца шарикоподшипника, частоте вращения сепаратора и комбинационных частот. Более радикальный путь состоит в применении новых конструктивных схем высокоскоростных опор на базе подшипников скольжения. В последнее время работа в этом направлении проводится ЦНИИ "Дельфин". Разработана опора скольжения (ОПС-1) и экспериментальный образец ДНГ с подшипниками скольжения в опорах вала, созданный на базе прибора ГБ-23/3. Предварительные результаты испытаний подтверждают повышение технических характеристик прибора, но, как указывают разработчики, требуются дальнейшие исследования в этом направлении.

               Твердотельные волновые гироскопы разрабатываются Раменским приборо-строительным конструкторским бюро с 1983 года. К настоящему времени разработаны две модификации прибора с полусферическими резонаторами ТВГ-2 с диаметром резонатора 70 мм и ТВГ-3 с диаметром резонатора 50 мм. Разработка приборов ведется как законченных устройств со встроенной электроникой. ТВГ-3 - твердотельный волновой гироскоп, предназначен для работы в БИНС в качестве интегрирующего датчика угловой скорости. Технические характеристики этого прибора приведены в таблице 6.2 [17].

             В Московском институте электромеханики и автоматики изготовлен и проходит испытания ВТГ с диаметром резонатора 20 мм и размерами чувствительного элемента: 030 мм, длина 63 мм. Предполагаемая погрешность гироскопа 0,5-1 град/ч.

           НПО "Медикон" в сотрудничестве с фирмой Del со Systems Operations (США) осуществляет проект по разработке кварцевого полусферического резонатора 030 мм для

ВТГ. Ранее разработки НПО "Медикон" и фирмы Del со Systems Operations основывались на использовании резонаторов большего диаметра 60 мм и 58 мм соответственно. Уменьшая размеры резонатора разработчики предполагают существенно снизить вес и размеры ВТГ. При уменьшении диаметра резонатора вдвое предполагается улучшить массогабаритные характеристики в 3-5 раз. Показатели точности и надежности при этом могут быть сохранены на прежнем уровне. Наиболее дорогостоящей и сложной в технологическом отношении частью ВТГ является резонатор. К нему предъявляются высокие требования и для его изготовления необходима прецизионная технология. Снижение стоимости резонатора является основной проблемой при решении вопроса о снижении стоимости механического блока ТВГ. Резерв снижения стоимости кроется в изготовлении резонаторов без балансировочных зубцов. Беззубцовый резонатор оказывается технологичнее и дешевле в производстве. Разработка малогабаритного и достаточно дешевого в производстве резонатора, позволяющего расширить область применения ВТГ, осуществляется НПО "Медикон". Вместе с тем, оценивая перспективы развития и применения ТВГ, следует отметить, что вряд ли можно ожидать появления достаточно дешевых приборов широкого применения, построенных на их базе.

               Как уже отмечалось, ключевые проблемы современного гироскопического приборостроения связаны с разработкой инерциальных чувствительных элементов, обладающих малыми массой и габаритами, низкими себестоимостью и энергопотреблением и достаточно высокой надежностью. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют микромеханические гироскопы и акселерометры, производство которых осуществляется с использованием технологий, развитых в последние десятилетия в твердотельной микроэлектронике. Электромеханические узлы приборов этих типов формируются из неметаллических материалов (монокристаллический кремний, плавленый кварц, карбид кремния и др.) методами фотолитографии и изотропного или анизотропного травления вместе с элементами электроники возбуждения, датчиками съема и преобразования полезного сигнала, элементами формирования обратных связей. Патенты на различные технические решения в области разработок микромеханических чувствительных элементов получены рядом ведущих зарубежных фирм (Draper Laboratory, Rockwell International, Systron Donner, Analog Devices, Sagem, Murata и др.).

            Лаборатория Ч. Дрейпера занимается разработкой кремниевых микромеханических гироскопов и акселерометров с начала восьмидесятых годов. Современные ММГ Лаборатории показывают стабильность систематического дрейфа на уровне 0,5 град/с в диапазоне температур -40 °С + +85 °С без термостабилизации и стабильность систематического дрейфа при термостабилизации на уровне 1 град/ч. Приведенные показатели точности достигнуты в конструкциях ММГ, основанных на использовании схемы, содержащей две чувствительные массы в упругом подвесе. Чувствительные массы с помощью электростатических виброприводов приведены в колебательные движения в противофазах. Принцип действия прибора основан на измерении амплитуд угловых колебаний рамки или поступательных колебаний чувствительных масс, вызываемых кориолисовыми силами инерции. При вращении основания относительно оси чувствительности прибора возникают противоположно направленные кориолисовы силы инерции чувствительных масс, модули которых пропорциональны измеряемой угловой скорости. В зависимости от принятой конструктивной схемы упругого подвеса кориолисовы силы инерции вызывают поступательные колебания чувствительных масс или угловые колебания рамки, амплитуды которых пропорциональны измеряемой угловой скорости. Необходимую величину амплитуды вынужденных колебаний чувствительных масс и приемлемую точность измерения параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции, можно обеспечить лишь при низком уровне шумов, порождаемых электронными элементами и диссипацией энергии в упругих элементах осциллятора. Эта задача решается путем использования монокристаллического кремния и микроэлектронных технологий его обработки, что позволяет обеспечить добротность осциллятора на уровне 5-10 .В конструкции ММГ применяется динамическая настройка и обеспечивается поддержание строгого совпадения частоты возбуждения с собственной частотой чувствительных масс на упругом подвесе. Требуемая полоса пропускания прибора достигается применением системы обратной связи [17].

            Фирма Systran Donner (США) серийно выпускает микромеханические датчики угловой скорости QRS11. Масса этого прибора составляет 60 г, габариты 042x16 мм. , Смещение нуля гироскопа QRS11 составляет менее 10 град/ч, нестабильность в запуске не

превышает 10" град/ч. Гироскоп QRS11 применяется в серийно выпускаемом корпорацией Rockwell International совместно с фирмой Systran Donner инерциальном измерительном модуле Motion Pack™. Модуль содержит три датчика угловой скорости QRS11 и три кварцевых акселерометра QFA7000 (масса каждого из акселерометров 55 г. габариты 025x22 мм) с погрешностью 10" -г 10" g. Инерциальный модуль Motion Pack™ применен в БИНС, интегрированной с GPS. Натурные испытания системы на автомобиле и самолете подтвердили эффективность использования инерциального модуля для исключения потери информации при кратковременных перерывах в работе приемника GPS и перспективность применения микромеханических гироскопов и акселерометров в интегрированных навигационных системах.

                Фирма Murata (Япония) выпускает две модификации пьезоэлектрических вибрационных гироскопов ENV-05A и ENC-05E. Чувствительный элемент гироскопов этих типов представляет собой призму, имеющую сечение в форме равностороннего треугольника, на боковых гранях которой находятся пьезоэлементы для возбуждения первой формы изгибных колебаний призмы и съема сигналов. Гироскопический датчик ENV-05A имеет массу 45 г, габариты 58x25x25 мм, диапазон измеряемых угловых скоростей ±90 град/с. Прибор ENC-05E имеет массу 2,7 г габариты 8,5x7,6x21,5 мм.

Микромеханические датчики iMEMS (integrated Micro Electro Mechanical System) занимают особое место среди разнообразных датчиков, выпускаемых фирмой Analog Devices (США). Фирма в течение многих лет выпускает микромеханические датчики. Они обладают различными характеристиками, имеют как цифровые, так и аналоговые выходы; кроме того, многие датчики стали промышленным стандартом в электронике.

Датчики iMEMS - устройства, интегрирующие на одном кремниевом кристалле датчик угловой скорости и электронику, обеспечивающую формирование и предварительную обработку сигнала. Более десяти лет назад компания Analog Devices приступила к изготовлению электро­механических устройств на кристалле кремния с помощью данной технологии. Первые образцы полностью интегрированных однокристальных датчиков ускорения (акселерометров) iMEMS были выпущены в 1991 году. Изначально акселерометры iMEMS были разработаны специально для систем безопасности автомобилей, где они применялись для детектирования столкновений и активации подушек безопасности; сегодня же эти акселерометры применяются в качестве инерциальных датчиков в самых разных областях.

С определенным отставанием разработки микромеханических гироскопов и акселерометров осуществляются в России. ЗАО "ГИРООПТИКА" является одним из первых отечественных предприятий, разработавшим и изготовившим микромеханические гироскопы и акселерометры по технологии МЕМС, а в части гироскопов - единственным предприятием. Размеры датчиков в единицы миллиметров соизмеримы с размерами микроэлектронных компонентов. Датчики обладают повышенной стойкостью и прочностью к воздействию механических ударов до 16000 g однократного действия и широкополосной случайной вибрации в диапазоне частот до 2000 Гц, при этом занимая нишу приборов среднего класса точности:

• для гироскопов - случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала на уровне 5 град./час при динамическом диапазоне до 360 град./с с нелинейностью масштабного коэффициента не более 0,5%;
• для акселерометров - случайная составляющая дрейфа нулевого сигнала на уровне 0,3 mg при динамическом диапазоне до 100g с нелинейностью масштабного коэффициента не более 0,3%.

Таблица 6.2 Механические миниатюрные гироскопы

6.2 Устройство и функционирование микромеханических гироскопов и акселерометров

Рассмотрим подробнее устройство и функционирование микромеханических гироскопов и акселерометров компаний ЗАО «ГИРООПТИКА» и Analog Devices. Рассматриваемые датчики выполнены по технологии MEMS, то есть представляют собой интеграцию:

· микромеханических чувствительных элементов угловой скорости или ускорения,

· электрической схемы первичной обработки информации, обеспечивающей управление, съем и предварительную обработку полезного сигнала микромеханического датчика.

Чувствительные элементы микромеханических гироскопов и акселерометров имеют различные конструктивные схемы с осями чувствительности, лежащими как в плоскости подвеса подвижной механической части, так и в плоскости перпендикулярной к ней. Данное обстоятельство позволяет сохранять плоскую форму электромеханической микросборки [17].

6.2.1 Микромеханические акселерометры ЗАО «ГИРООПТИКА»

На сегодняшний день компания ЗАО «ГИРООПТИКА» производит микромеханические акселерометры на основе чувствительных элементов маятникового и осевого типов (смотри рис. 6.1), соответственно.

6.2.1.1 Микромеханический акселерометр  маятникового типа

6.2.1.1.1 Конструкция

Конструктивная схема микромеханического акселерометра маятникового типа приведена на рис. 6.2, сейсмическая масса с опорным элементом и торсионами на рис. 6.3 [17].

Микромеханический акселерометр представляет собой капсулированный элемент, образованный корпусом  1, выполненным в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами 5 емкостного датчика угла и электростатического датчика момента и диэлектрической крышки 7. Крышка скреплена с корпусом 1.

Основой акселерометра является монокристаллический кремниевый элемент – маятник размерами 0,8х1,0х0,015 мм (так называемая сейсмическая масса 2). Сейсмическая массой 2 подвешена с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках – торсионах 3 за опорный элемент 6. Торсионы представляют собой устройство демпфирования сечением 12х15 мкм, которое позволяет сейсмической массе останавливаться при полном диапазоне колебаний, защищая устройство от механического удара. Сейсмическая масса, торсионы и опорный элемент выполнены в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия.

Внутрь корпуса закачивается газовая смесь, которая обеспечивает демпфирование собственных колебаний сейсмической массы 2. Крышка также выполняет функцию ограничителя перемещений сейсмической массы 2 при вибрационных и ударных воздействиях.

Напыленные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика моменты выполнены единым элементом и в совокупности представляют собой электронную схему обработки сигналов.

Для данного варианта конструкции ось чувствительности ортогональна плоскости чувствительного элемента. Маятник изготовлен вместе с упругими торсионами по технологии "кремний на стекле" (смотри рис. 6.4) [3].  

6.2.1.1.2 Принцип функционирования

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х сейсмическая масса 2 отклоняется от своего исходного состояния. При этом изменяются величины емкостей конденсатора, образованного неподвижными электродами 5 и сейсмической массой 2. Съем информации производится с помощью емкостного датчика перемещений. Сигнал отклонения преобразуется электронной схемой и приводит к возникновению электростатического момента, стремящегося возвратить сейсмическую массу 2 в исходное состояние. В установившемся состоянии сигнал с выхода электронной схемы является выходным сигналом микромеханического акселерометра.

График зависимости перемещения чувствительного элемента маятникового типа от преобразуемого им линейного ускорения приведен на рисунке 6.5 [3].

6.2.1.2 Микромеханический акселерометр осевого типа

6.2.1.2.1 Конструкция

Конструктивная схема микромеханического акселерометра осевого типа близка к конструктивной схеме акселерометра маятникового типа. Микромеханический акселерометр также является капсулированным элементом (капсула образована корпусом и крышкой), заполненным газовой смесью. При этом обеспечивается демпфирование собственных колебаний сейсмической массы и повышается надежность работы устройства, так как крышка служит ограничителем перемещений инерционной массы при ударных и вибрационных воздействиях.

Конструктивная схема чувствительного элемента осевого типа, представлена на рисунке 6.6. Пространственная модель представлены на рисунках 6.7. Чувствительный элемент, представленный на иллюстрации, относится к типу акселерометров с поступательным перемещением чувствительной массы. Он представляет собой пластину, изготовленную из монокристаллического кремния – сейсмическая масса 1, толщиной 15 мкм и размерами в плоскости подвеса 0,5х1,0 мм, расположенную с зазорами относительно корпуса 6, подвешенную к нему на четырех упругих торсионах 2. В результате образуется упругий подвес, обеспечивающий перемещение сейсмической массы вдоль оси, лежащей в плоскости сейсмической массы. Съем информации производится по дифференциальной схеме с помощью гребенчатого емкостного датчика перемещений 4. Ширина зубцов емкостного датчика перемещений данной конструкции составляет 10 мкм, длина – 70 мкм, величина зазора между подвижными и неподвижными зубцами датчика – 10 мкм. Длина зубцов электростатического датчика силы – 300 мкм, ширина – 10 мкм, зазоры между подвижными и неподвижными зубцами датчика 30 и 10 мкм.

Датчик силы представляет собой гребенчатый электростатический датчик 5.

6.2.1.2.2 Принцип функционирования

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х сейсмическая масса 1 отклоняется от своего исходного состояния.  Сигнал, снимаемый с датчика перемещений 4, приводит к возникновению электростатических сил, стремящихся возвратить сейсмическую массу 1 в установившееся положение. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на сейсмическую массу, уравновешивается электростатическими силами гребенчатого датчика силы 5 [17].  

График зависимости перемещения сейсмической массы ЧУС осевого типа от амплитуды воздействующего линейного ускорения приведен на рисунке 6.8 [3].

6.2.2 Микромеханические ДУСы ЗАО «ГИРООПТИКА»

В ЗАО "ГИРООПТИКА" разработаны датчики угловых скоростей на базе чувствительных элементов роторного и поступательного типов (смотри рис. 6.9).

Принцип действия чувствительного элемента угловой скорости основан на измерении параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции. Эффект, учитываемый кориолисовыми силами, состоит в том, что во вращающейся системе отсчёта материальная точка, движущаяся не параллельно оси этого вращения, отклоняется по направлению, перпендикулярному к её относительной скорости, или оказывает давление на тело, препятствующее такому отклонению.

Одной из основных особенностей элементов является использование при их производстве материалов и технологий современной твердотельной электроники. Электромеханические узлы формируются из неметаллического материала - монокристаллического кремния методами фотолитографии, анизотропного травления, диффузионной сварки. Важным отличием от стандартных полупроводниковых элементов является то, что элементы представляют собой трехмерные структуры. Это обусловлено такими особенностями конструкции прибора, как наличие подвижной механической части - осциллятора, необходимость обеспечения заданных геометрических, массовых и упругих характеристик. Механическая часть изготавливается вместе с элементами возбуждения колебаний, датчиками съема и преобразования полезного сигнала, элементами формирования обратных связей. 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.

6.2.2.1 Микромеханический гироскоп роторного типа

6.2.2.1.1 Конструкция, принцип функционирования

Вибрирующим элементом микромеханического гироскопа роторного типа (осциллятором) является вращающийся ротор.

Механическая часть микрогироскопа представляет собой ротор диаметром 1,5 мм и толщиной 15 мкм, закрепленный на торсионах. Элементы датчиков задающего момента и съема полезного сигнала, формирования обратной связи изготавливаются с использованием арсенала средств современной твердотельной микроэлектроники по объемной технологии "кремний на стекле", адаптированной к изделиям микромеханики. Возбуждение колебаний ротора производится гребенчатым электростатическим виброприводом. Измерительная ось роторного микрогироскопа расположена в плоскости подвеса ротора. Съем информации производится по дифференциальной схеме с помощью емкостных датчиков перемещений. Одну из обкладок емкостного датчика составляет ротор, а вторую - металлический слой, напыленный на стеклянное изолирующее основание. В системе обратной связи применены электростатические датчики силы [17].

6.2.2.2 Микромеханический гироскоп поступательного типа

6.2.2.2.1 Конструкция

Конструкция микромеханического гироскопа поступательного типа состоит из:

• корпуса (кремниевой платы 1),
• крышки 3, выполненной из диэлектрического материала и скрепленной с корпусом 1 микромеханического гироскопа.
• токоподводы 4, размещенные внутри платы 1,
• чувствительного элемента 2 – сейсмической массы (осциллятора).

Микромеханический гироскоп (смотри рис. 6.10) 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 [17].

На корпусе закрепленны неподвижные электроды гребенчатого электростатического датчика силы и датчика перемещений, сейсмичекая масса 2, выполненную в виде пластины из кремния со сквозными отверстиями, расположенную с зазором относительно платы и связанную с ней через упругие перемычки 8, обеспечивающие перемещения массы вдоль взаимно перпендикулярных пересекающихся осей, совпадающих с осями симметрии сейсмической массы и лежащих в ее плоскости, токоподводы, генератор и электронную схему обработки сигналов. Сейсмическая масса выполнена в форме квадрата, а упругие перемычки образуют внутренний, промежуточный и наружный подвесы.

Конструктивная схема чувствительного элемента представлена на рисунке 6.11. Пространственная геометрическая модель представлена на рисунке 6.12. Съем сигналов производится по дифференциальной схеме с помощью гребенчатого емкостного датчика перемещений. В системе обратной связи используется электростатический гребенчатый датчик силы. Встроенный датчик температуры позволяет в случае необходимости производить алгоритмическую компенсацию температурных погрешностей.

6.2.2.2.2 Принцип функционирования

Описываемое устройство работает следующим образом. При включенном питании под воздействием электростатических сил в зазорах датчика силы на частоте генератора сейсмическая масса 2 совершает возвратно-поступательные движения вдоль оси Х-Х. При вращении корпуса 1 с угловой скоростью  вокруг оси чувствительности Z-Z, перпендикулярной плоскости инерционной массы 2, возникают кориолисовы силы инерции, приложенные к сейсмической массе 2. Под действием этих сил масса 2 совершает вдоль оси Y-Y колебания, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости . Сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний, снимается с датчика перемещений, а затем преобразуется электронной схемой обработки сигналов.

Таким образом, может быть осуществлено измерение угловой скорости движения корпуса 1 вокруг оси Z-Z.

Выходная характеристика датчика приведена на рисунке 6.13 [3].

6.2.3 Микромеханический гироскоп ADXRS фирмы Analog Devices

Датчик угловой скорости - гироскоп ADXRS представляет собой интегральную микросхему (смотри рис. 6.14). Он выполнен на одном кристалле кремния и включает в себя все необходимые электронные схемы формирования сигнала [14].

Две микромеханические структуры из поликристаллического кремния снабжены специальными возбуждающими рамками, которые с помощью электрического сигнала приводятся в резонанс. Колебания микромеханических элементов имеют достаточно высокую частоту и амплитуду, чтобы при угловом вращении прибора сила Кориолиса, действующая на эти элементы, достигала заметной величины. По краям каждой колеблющейся рамки, перпендикулярно направлению колебаний, расположены подвижные зубцы, которые чередуются с неподвижными зубцами (фиксированными на кремниевую подложку), таким образом, образуется структура, емкость которой меняется в соответствии с величиной силы Кориолиса [14].

Полученный с емкостного датчика высокочастотный сигнал поступает на каскады усиления и демодуляции, в итоге на выходе микросхемы мы получаем сигнал напряжения, пропорциональный угловой скорости (смотри рис. 6.15). Максимальная детектируемая скорость вращения (т.е. динамический диапазон датчика угловой скорости) составляет у гироскопов ADXRS150 и ADXRS300 соответственно 150°/с и 300°/с (отмечено звездочкой на рисунке). Существует возможность изменить динамический диапазон гироскопа в сторону увеличения или уменьшения, в зависимости от требований задачи.

Наличие внутри микросхемы двух перпендикулярно расположенных однотипных датчиков позволяет избежать влияния на выходной сигнал гироскопа вибрации и ускорения. Схемы формирования сигнала, расположенные на этом же кристалле (смотри рис. 6.16), позволяют сохранить качество сигнала в условиях "шумного" окружения (электромагнитных помех, шумов цифровых схем и т.д.).

Для схемы возбуждения чувствительных элементов требуется напряжение питания 14—16 В. Так как на микросхему подается напряжение 5 В, для получения более высокого напряжения питания на кристалле имеется схема "зарядового насоса" с переключаемыми конденсаторами. Если имеется внешнее напряжение питания величиной 14-16 В, то можно использовать его, и при этом избавиться от необходимости подключения нескольких дополнительных внешних конденсаторов.

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 [14].

6.2.4 Погрешности рассматриваемых датчиков, проблематика отрасли

Погрешности микромеханических акселерометров и гироскопов делятся на случайные и систематические. Случайные погрешности вызываются, в основном, электронными компонентами, входящими в состав электрической части. Они объясняются нестабильностью напряжения питания, дрейфами и шумами усилителей и других электронных элементов, тепловыми и механическими воздействиями. Оценка случайных погрешностей датчиков производится экспериментально по результатам лабораторно-стендовых измерений. Систематические погрешности в основном вызываются технологическими факторами и температурными возмущениями в условиях установившихся тепловых процессов в конструкциях чувствительных элементов.

Технологические погрешности приводят к неидеальности выполнения конструкции датчика: невертикальностью стенок вытравленных участков, неточностью выполнения геометрических размеров элементов конструкции, напряжениям, возникающим в узлах конструкции чувствительных элементов. Современный уровень технологии микромеханики позволяет обеспечить вертикальность стенок вытравленных участков с погрешностью до 1÷3 град, а точность выполнения геометрических размеров – до десятых долей микрометра.

Температурные погрешности чувствительных элементов вызываются изменением абсолютной температуры  и градиентом температур в составе акселерометров и ДУСов. Основное влияние оказывает изменение абсолютной температуры. Изменение абсолютной температуры датчика приводит к температурным разбалансировкам, изменению жесткости упругих элементов подвеса и напряженно-деформированному состоянию подвеса, изменению собственных частот и нарушению условий резонансной настройки. В таблицах 6.3 и 6.4 представлены значения перемещения чувствительных элементов маятникового типа в зависимости от температуры при заданном линейном ускорении и результаты расчетов нелинейности масштабного коэффициента чувствительных элементов маятникового типа.

Таблица 6.3 Значение выходного сигнала ЧУС маятникового типа в зависимости от температуры

Таблица 6.4 Значения нелинейности масштабного коэффициента ЧУС маятникового типа

Для снижения величины нелинейности масштабного коэффициента применяется алгоритмический метод термокомпенсация, который позволяет скомпенсировать нелинейность масштабного коэффициента чувствительного элемента маятникового типа до величины, не превосходящей 0,0815 % от начального значения 0,323 %.

В современных условиях, когда решены основные вопросы принципов построения, конструирования и технологии изготовления микромеханических преобразователей, инерциальных модулей и БИНС на их основе, на первый план выступает проблема повышения точности преобразователей и создание приборов навигационного класса точности. Решение указанной проблемы в значительной степени использует методы, традиционно применяемые при разработках новых типов гироскопов и акселерометров. Вместе с тем, учет факторов масштабирования, использование планарных конструктивных схем и групповых микроэлектронных технологий изготовления чувствительных элементов, расширение областей применения микромеханических систем выдвигают новые проблемы конструкторско-технологического характера.

К ним относятся: выбор расчетных схем и расчетных моделей, наиболее полно учитывающих факторы, влияющие на технические характеристики микромеханических систем, оптимизация параметров конструкций, обеспечивающих требуемые динамические характеристики чувствительных элементов; подбор и создание материалов с необходимыми физико-механическими характеристиками; поиск способов уменьшения влияния напряженно-деформированного состояния конструкций, технологических, температурных и иных факторов на точность и стабильность характеристик микромеханических систем; выбор электронных элементов с минимальным уровнем собственных шумов и др. Решение указанных проблем приведет к повышению достигнутых технических характеристик микромеханических изделий и расширению сферы применения систем стабилизации, ориентации и навигации на их основе [3].