Методы повышения точности съема информации в микромеханических гироскопах

• Автор: Некрасов, Яков Анатольевич
• Шифр специальности: 05.11.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 126 с. : ил.

1. Анализ конструкции проектируемого ММГ
1.1. Устройства обеспечения работы ММГ вибрационного типа
1.2. Конструкция микромеханического узла проектируемого ММГ
1.3. Конструкции чувствительных элементов ММГ RR-типа
Выводы по главе 1
2. Электродные структуры ММГ RR
2.1. Задачи анализа электродных структур ММГ
2.2. Анализ гребенчатой электродной структуры ММГ RR-типа
2.3. Анализ электродной структуры с плоскими электродами
2.4. Взаимное влияние электродных структур каналов первичных
и вторичных колебаний
2.5. Эквивалентная электрическая схема электродной структуры модуля ВКМ
Выводы по главе 2
3. Преобразователи емкость - напряжения для ММГ
3.1. Применения ПЕН в инерциальных датчиках
3.2. Принципы работы преобразователя емкости - напряжения
3.3. Анализ влияния паразитных емкостей на работу ММГ
3.4. Двухканальный и многоканальный ПЕН
3.5. Оценка разрешающей способности двухканального ПЕН
Выводы по главе 3
4. Подавление помех и выделение полезного сигнала в ММГ
4.1. Выделение сигнала на частоте первичных колебаний ГТМ
4.2. Автогенератор
4.3. Подавление сигнала квадратурной помехи
4.4 Комплексное проектирование системы съема информации ММГ
Выводы по главе 4
Заключение
Публикации автора по теме диссертации
Литература

I am a firm believer in the future of the gyroscope.
I would not be surprised if this instrument.... should become one of the most useful in the arts and industries
Elmer Sperry 1908
Первый кремниевый микромеханический гироскоп (ММГ) был предложен Драйперовской лабораторией в 1991г. [16]. Он был построен на основе камертона, вводимого в резонанс действием электростатических сил. В дальнейшем были исследованы разные принципы построения ММГ, среди которых доминировали датчики с подвижным элементом или массой, совершающей колебательные перемещения (линейные, вращательные или линейно-вращательные) потому, что они оказались более удобными для массового изготовления существующими технологическими процессами. В литературе, в зависимости от вида перемещения подвижной массы, ММГ подразделяют на гироскопы LL-, RR- или смешанного, например, RL-типа [74]. В разных странах проводились интенсивные исследования, направленные на создание ММГ, но до 1998г. промышленного производства ММГ не существовало.
В 1997г. фирма Bosch разработала и с 1998г. начала применять ММГ в системах управления автомобилями [27]. Интересно отметить, что возбуждения колебаний ротора в нем осуществлялась силами магнитного, а не электрического поля. В дальнейшем компанией Bosch был разработан планарный ММГ /?/?-типа с электростатическим возбуждением [12].
В 2002г. фирма США Analog Devices, Inc (ADI) первой начала промышленный выпуск ММГ, в котором на одном кристалле кремния объединяются микромеханические узлы с электроникой. Этот 2-х массовый ММГ LL-типа был выполнен по планарной технологии, его цена ниже $50 [13, 23]. Почти одновременно с ADI на рынке ММГ появились и другие фирмы, например, Kionix, Silicon Sensing Systems. Низкая цена ММГ

значительно расширила области применения этих датчиков. Они начали широко применяться не только в относительно дорогих системах для обеспечения безопасности автомобилей и навигации, но и в тех потребительских товарах, где нужна стабилизация положения, например, в переносных фото- и видеокамерах. Высокоточные ММГ находят применение в военной технике. Например, разработанный Драйперовской Лабораторией ММГ внедряется фирмой Honeywell в управляемые ракеты и высокоточные снаряды [31].
На рис.1 показаны области применения ММГ [24].

Сотовые.
Видеокамеры
тел.
Автомобили
(с-мы торможения

Навш аиии
Промышленность
Оборонная
промышленность
Системы
стабилиза-

Точность
Рис.1. Области применения ММГ
Анализ рынка микромеханических систем показывает устойчивый роет производства и продаж микромеханических инерциальных датчиков [26]. На рис.2, показано изменение продаж за 5 лет. Как видно из диаграммы на рис.З доля инерциальных датчиков на мировом рынке увеличивается при общей тенденции удвоения рынка за 5 лет.

_6|-1-1-1-1_I__1_I_I
1 234 5Б7ВЭ10
Угол 6,
Рис. 2.6. Зависимости емкостей и моментов от угла перекрытия электродов гребенчатой структуры для различных длин зубцов
Это позволяет сделать вывод, что при амплитуде первичных колебаний 1° достаточно иметь длину зубцов 1,5 -2°. Эта величина соответственно в 3-4 меньше длины зубцов в ВКМ. Таким образом, длина зубцов гребенчатой электродной структуры ВКМ может быть уменьшена. Помимо увеличения надежности ММГ и возможности формирования большего числа пар электродов в заданном объеме, это изменение позволит, как будет показано в следующих разделах повысить точность системы съема информации за счет уменьшения паразитных емкостей и снижения уровня помехи, создаваемого сигналами управления гребенчатым двигателем.
2.3 Анализ электродной структуры с плоскими электродами
Электродная структура этого типа используются в ММГ для формирования канала вторичных колебаний. В ВКМ она образуется неподвижными электродами, размещаемыми на крышке, и подвижным электродом, которым является проводящий ротор. Первоначальный вид