Особенности конструирования чувствительного элемента микромеханического гироскопа

СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

М.И. Евстифеев, А.А. Унтилов

Рассмотрены особенности конструирования чувствительного элемента микромеханического гироскопа. Приведены требования к параметрам конструкции. Проведен анализ влияния технологических особенностей материала и инструментальных погрешностей изготовления.

Введение

В настоящее время все большее внимание уделяется разработке микромеханических гироскопов (ММГ), выполненных с использованием технологий микроэлектронной промышленности. Несмотря на невысокую точность, ММГ находят применение в автомобильной промышленности, при создании нового поколения навигационного оборудования, в разработках робототехнических устройств и спортивного снаряжения, в медицинской промышленности и при выпуске товаров широкого потребления [1]. Принцип работы большинства ММГ аналогичен осцилляторным вибрационным гироскопам и основан на измерении сил Кориолиса от внешней угловой скорости О (рис. 1). Для увеличения выходного сигнала и повышения чувствительности в ММГ, как правило, используется резонансная настройка первичных /1 и вторичных /2 колебаний инерционной массы, при этом необходимо, чтобы амплитуда первичных колебаний инерционного тела и добротность по оси вторичных колебаний поддерживались на максимальном уровне, а собственная частота была минимальной [2]. Устранение противоречия между достижением высокой добротности и, соответственно, максимальной чувствительности и обеспечением требуемой полосы пропускания возможно при использовании интегрирующих свойств ММГ [3].

Рис. 1. Конструкция ротора ММГ: /1 и /2 - первичные и вторичные колебания; О - измеряемая угловая скорость основания

Постановка задачи

Разрабатываемые микромеханические гироскопы (ММГ) отличаются от традиционных гироскопических устройств рядом существенных факторов, которые следует принимать во внимание при проектировании. Проектирование ММГ требует решения ряда специфических задач конструкторско-технологического характера [4, 5], среди которых:

• построение расчетной схемы, адекватно описывающей характеристики подвеса;

• оптимизация параметров конструкции, обеспечивающая требуемые соотношения между собственными частотами колебательной системы и соответствующие формы колебаний;

• подбор материалов с необходимыми физическими характеристиками;

• достижение минимального порога чувствительности;

• обеспечение прочности конструкции в процессе эксплуатации;

• поиск способов уменьшения влияния технологических, температурных и иных факторов на точность и стабильность характеристик приборов.

При выполнении расчетов и разработке конструкции чувствительного элемента можно выделить следующие особенности проектирования упругого подвеса ММГ: неопределенность механических характеристик материала, использование планарных конструкций, учет возможной точности изготовления упругих элементов, оценка нелинейности упругих характеристик.

Особенности используемых материалов

При изготовлении инерционной массы ММГ толщиной несколько десятков микрометров преимущественно используется монокристаллический кремний. Среди преимуществ монокристаллического кремния следует отметить низкие внутренние потери, позволяющие достичь высокой добротности осцилляторов; высокий модуль Юнга, сравнимый с модулем Юнга стали; предел текучести, превышающий предел текучести стали [6, 7]. Однако существенным недостатком этого материала является анизотропия свойств (в том числе механических) в зависимости от кристаллографических направлений [8]. На рис. 2 приведено изменение модуля Юнга и коэффициента Пуассона на пластине с ориентацией (100).

<010> , <010>

а) б)

Рис. 2. Изменение модуля Юнга (а) и коэффициента Пуассона (б) на пластине с ориентацией (100).

При проектировании необходима информация о расположении упругого подвеса на пластине-заготовке, в противном случае ошибки в расчете собственных частот могут оказаться недопустимо большими. Исследования показывают, что соотношение между частотами первичных и вторичных колебаний может изменяться на 10% при одинаковой геометрии в зависимости от кристаллографического направления [9].

Несмотря на высокие конструкционные характеристики, монокристаллический кремний хрупок, вследствие чего следует избегать конструкций, в которых чувствительный элемент может испытывать удары о корпус или подложку.

При расчете параметров следует уделить внимание таким вопросам, как подбор материалов с одинаковыми коэффициентами теплового расширения [10], учет изменения модуля упругости и добротности вследствие изменения температуры [6,11], разра-

ботка адекватной модели тепловых погрешностей прибора с целью их компенсации [12], разработка систем терморегулирования [13].

Температурные зависимости модуля упругости и добротности приводят к погрешностям прибора вследствие изменения геометрических размеров и упругих характеристик конструкции. При этом происходит изменение частотных свойств и добротности, зазоров в электрических датчиках прибора и соответственно энергетических характеристик. В конструкции появляются температурные градиенты и возникают внутренние механические напряжения, вследствие которых возможно появление перекосов и нарушения геометрии. Изменение собственных частот и соотношение между ними при изменении температуры для рассматриваемой конструкции приведено на рис. 3 [14].

а/ = Л^А. 100%

/2

Рис. 3. Изменение собственных частот чувствительного элемента ММГ /1, /2 и соотношения между ними А/ при изменении температуры

Особенности технологии изготовления

Планарная технология, используемая при изготовлении ММГ, накладывает определенные ограничения на выбор конструктивной схемы. Вследствие технологических особенностей кремниевые ММГ представляют собой плоские конструкции, у которых толщина в 100-200 раз меньше длины. Это обстоятельство затрудняет обеспечение требуемых упругих характеристик и исключает использование пространственных конструктивных схем.

Точность расчетных моделей связана с учетом возможной точности изготовления упругих элементов подвеса. В конструкциях ММГ вследствие группового построения технологического процесса, большой серийности производства и малых размеров обеспечить допуски изготовления на уровне долей процента от геометрического размера невозможно и экономически нецелесообразно. Технологические допуски приводят к расстройке резонанса и резкому изменению масштабного коэффициента [15]. Для ММГ с резонансной настройкой необходима регулировка частот путем использования электрической системы создания положительной или отрицательной жесткости.

Отклонение от номинальных значений размеров чувствительного элемента приводит к статическому и динамическому дисбалансам, перекосам ротора, несовпадению кристаллографических направлений с осями прибора. Помимо расстройки резонанса, такие погрешности приводят к появлению «нулевого» сигнала.

Проблемы стабильности характеристик ММГ связаны в основном с непостоянством геометрических размеров, упругих свойств и добротности. Коэффициент добротности для данного класса приборов является метрологическим параметром, от которого зависит стабильность показаний прибора. Диссипация энергии колебаний связана с потерями на газовое трение, поверхностными потерями, потерями из-за связанности различных типов колебаний, термоупругим демпфированием и прочим [6]. Снижение потерь от взаимодействия с газовой средой требует вакуумирования внутренней полости элемента [16]. Одним из принципиальных вопросов разработки конструкции является использование технологии вакуумирования на уровне вафли, что позволяет снизить стоимость и повысить надежность прибора [17]. При конструировании ММГ следует принимать во внимание особенности технологии изготовления и исключать возможность адгезионного слипания элементов конструкций вследствие воздействия температур в процессе сварки и вакуумных ударов при герметизации.

Особенности конструкции чувствительного элемента

Одной из проблем разработки конструкции упругих подвесов является обеспечение линейности характеристик жесткости по осям первичных и вторичных колебаний. Для подвесов, состоящих из прямых стержней (см. рис. 1), восстанавливающая сила подвеса является нелинейной и содержит кубические члены жесткости подвеса. Это приводит к возникновению неустойчивых колебательных режимов и возможности перехода системы из одного положения в другое без каких-либо дополнительных внешних воздействий [18]. Для ММГ компенсационного типа нелинейность упругого подвеса оказывает существенное влияние только на первичные колебания.

Одним из существенных факторов, влияющих на параметры разрабатываемого ММГ, является порог чувствительности [19]. Обеспечение высокой точности измерения угловой скорости основания требует создания высокодобротных, колеблющихся с большой амплитудой осцилляторов и уменьшения практически до нуля механических и электрических шумов, что может быть достигнуто путем тщательного проектирования всех элементов прибора.

Условия эксплуатации ММГ предполагают наличие интенсивных инерционных воздействий - высокочастотной вибрации и ударов. При проектировании упругого подвеса ММГ следует учитывать моменты сил упругости, возникающие из-за деформаций конструкции в условиях угловой и поступательной вибрации. Наибольшее влияние на показания ММГ с угловыми движениями инерционного тела оказывает воздействие поступательной вибрации на частоте, равной половине частоты вторичных угловых колебаний [20]. Это требует разработки равножестких конструкций упругих подвесов, что затрудняется использованием планарной технологии.

Конструкции ММГ должны иметь собственные частоты выше диапазона вибрации и выдерживать ударные воздействия величиной в десятки тысяч g. Большая прочность конструкций обусловлена малой массой инерционного тела и высокими частотами колебаний подвеса на уровне килогерц. При конструировании необходимо предусматривать установку упоров - ограничителей перемещения элементов конструкции для предотвращения замыкания контактных проводников.

Использование трехмерного моделирования и конечно-элементного анализа позволяет значительно сократить время разработки и расчета нового варианта конструкции ММГ, избежать итераций методом «проб и ошибок» [14]. Тем не менее, точность расчета конечна и составляет несколько процентов от номинального значения частоты.

Проблемы расчета конструкций связаны с необходимостью создания расчетных моделей, описывающих системы с распределенными параметрами, и использования программ конечно-элементного анализа [21]. Для разработки конструкции и решения

обозначенных выше проблем могут быть использованы как универсальные (ANSYS,

Nastran, Pro/MECHANICA), так и специализированные программы (CoventorWare,

MEMSCap).

Литература

1. Пешехонов В.Г. Гироскопы начала XXI века // Гироскопия и навигация. 2003. № 4. С.5-18.

2. Кучерков С.Г., Шадрин Ю.В. К вопросу о выборе конструктивных параметров микромеханического кольцевого гироскопа вибрационного типа / Материалы III конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2001. С.94-101.

3. Кучерков С.Г. Использование интегрирующих свойств вибрационного микромеханического гироскопа с резонансной настройкой для построения датчика угловой скорости компенсационного типа. //.Гироскопия и навигация. 2002. №2. С.12-18.

4. Северов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И., Сорокин А.В., Кучерков С.Г., Лу-чинин В.В., Корляков А.В.. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития. // Известия вузов. Приборостроение. 1998. Т.41. №1-2. С.57-73.

5. Лестев А.М., Попова И.В., Евстифеев М.И. и др. Особенности микромеханических гироскопов. // Микросистемная техника. 2000. №4. С.16-18.

6. Duwel A. et al. Experimental Study of thermoelastic damping in MEMS gyros// Sensor and Actuators, 103, 2003,. pp.70-75.

7. Петерсен К.Э. Кремний как микромеханический материал. // ТИИЭР. 1982. Т.70. №5. С.5-49.

8. Kim J., Cho D., Muller R.S. Why is (111) silicon a better mechanical material for MEMS? / Proceedings of Transducers 2001: 11th International Conference on Solid State Sensors and Actuators, Munich, Germany, June 2001, pp. 662-665.

9. Унтилов А.А. Влияние анизотропии монокристаллического кремния на характеристики микромеханического гироскопа. / Навигация и управление движением: Материалы докладов VI конференции молодых ученых «Навигация и управление дви-жением»/Под общ. ред. академика РАН В.Г.Пешехонова СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2005. С.154-161.

10. Ahn Y., Guckel H. Thermoelastic effect of silicon for strain sensing. J. Micromech. Microeng. 11 (2001) pp. 443-451.

11. Александров Л.Н., Зотов М.И. Внутреннее трение и дефекты в полупроводниках. Новосибирск: Наука, 1979.

12. Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Математические модели теплового дрейфа гироскопических датчиков инерциальных систем. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2001.. 150 с.

13. Барулина М.А., Джашитов В.Э., Панкратов В.М. Математические модели систем терморегулирования микромеханических гироскопов. // Гироскопия и навигация. 2002. №3. С. 48-59.

14. Евстифеев М.И., Унтилов А.А. Особенности проектирования чувствительного элемента микромеханического гироскопа / III международный симпозиум «Аэрокосмические приборные технологии» сборник материалов. СПб. 2-4 июня 2004. С.297-298.

15. Евстифеев М.И., Унтилов А.А. Требования к точности изготовления упругого подвеса микромеханического гироскопа. // Гироскопия и навигация. 2003. №2. С.24-31.

16. Кучерков С.Г. Определение необходимой степени вакуумирования рабочей полости осциллятора микромеханического гироскопа. // Гироскопия и навигация.. 2002. № 1. С. 52-56.

17. Goldberg H., Selvakumar A. Issues & challenges of MEMS wafer-level packaging// MicroNano, №9, 2003, p.8-9.

18. Davis W.O., Pisano A.P. Nonlinear Mechanics of Suspension Beams for a Micromachined Gyroscopes//Modeling and Simulation of Microsystems 2001, pp.27019. Aya.zi F., Najafi K. A HARPSS Polysilicon Vibrating Ring Gyroscope // IEEE, Journal

of Microelectromechanical Systems. 2001. Vol.10. №2. P.169-179.

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

21. Евстифеев М.И., Кучерков С.Г., Унтилов А. А. Шадрин Ю.В., Шалобаев Е.В. Использование мехатронного подхода при анализе систем компьютерного проектирования микромеханических гироскопов. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004.. №2. С.31-37.