Исследование и разработка методов расширения рабочего диапазона и улучшения характеристик микромеханических датчиков угловой скорости

• Автор: Тимошенков, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 151 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
1 Анализ конструкций преобразователей угловой скорости
1.1 Особенности конструкций чувствительных элементов микромеханических датчиков угловой скорости
1.2 Анализ микромеханических датчиков угловой скорости
1.3 Постановка задач диссертационной работы
2. Исследование и анализ характеристик ДУС. Разработка испытательного комплекса и методик испытаний
2.1 Математическая модель выходного сигнала ДУС
2.2Метод определения случайных погрешностей ДУС при помощи вариации Аллана. Л
2.3 Аппаратно - программный комплекс для исследования характеристик ДУС
Выводы по второй главе
3. Исследование различных конструкций чувствительного элемента ДУС
3.1.Определение обобщенных сил, обусловленных упругими свойствами подвеса ЧЭ
3.2 Расчет параметров ЧЭ ЬЬ и И1 типов
3.4 ЧЭ с распределёнными параметрами
3.5 Расчет геометрических параметров ЧЭ ДУС кольцевого типа
3.6.Конструкция ЧЭ ДУС кольцевого типа
3.7 Сравнение параметров изготовленных ЧЭ ДУС
Выводы по главе
4. Исследование схемотехнических решений и методов регулировки схем обработки сигнала ДУС
4.1 Обработка сигнала чувствительного элемента кольцевого типа
4.1.1 Общие принципы формирование выходного сигнала преобразователя угловой
скорости кольцевого типа
4.1.2. Схема колебания КМГ с контуром подавления
4.1.3 Схема колебания ЧЭ КМГ с двумя симметричными автоколебательными
контурами
4.1.4. Исследование и анализ различий автоколебательной симметричной схемы от
схемы контуром подавления
Выводы по главе
5. Анализ характеристик разработанных ДУС
5.1 Анализ характеристик ДУС при реализации гиротахометра
5.2 Анализ характеристик ДУС при реализации датчика крена быстровращающегося
объекта
Выводы по пятой главе:
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение А - Программа и методика испытаний ДУС
Приложение Б - Текст программы в среде таНаЬ, для определения параметров ДУС
Приложение В. КД на изделие АЕСН.431324.003 РЭ (руководство по эксплуатации)
Приложение Г - Акт о внедрении результатов диссертационной работы

ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АСМ - атомно-силовая микроскопия;
АСУ - автоматические системы управления;
АТ - анизотропное травление;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
ДУС - датчик угловой скорости;
ЕД - емкостной датчик;
ИС - интегральная схема;
КТЛР - коэффициент термического линейного расширения; МКЭ - метод конечных элементов;
МНК - метод наименьших квадратов;
ММЕ - микромеханический гироскоп;
ММЕК - микромеханический гироскоп кольцевого типа МСТ - микросистемная техника;
МЭМС - микроэлектромеханические системы;
НЭМС - наноэлектромеханические системы;
РЭМ - растровая электронная микроскопия;
САПР - система автоматизированного проектирования;
ЧЭ - чувствительный элемент;

ВВЕДЕНИЕ
Технологии микросистемной техники получают широкое развитие в настоящее время, они обеспечивают создание различных нано- и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Главным в этом направлении является применение микроэлектронной технологии, адаптированной для производства сложных интегрированных устройств, совмещающих механические и электронные компоненты в единой системе. Потребителями МЭМС являются многие отрасли промышленности, среди которых: геологоразведка, автомобилестроение, приборостроение, авиация, транспорт, добыча полезных ископаемых, медицинское оборудование, спортивные тренажеры, телекоммуникационная техника, робототехника, бытовая техника, оборонная промышленность и пр. Важное место в ряду МЭМС заняли датчики физических величин, к числу которых относят преобразователи угловых скоростей (ДУС). Преимуществами ДУС, изготовленных по технологии микросистемной техники, вытекают из очевидной выгоды массового производства по групповой технологии, это низкая цена конечного изделия, надежность и повторяемость характеристик, миниатюрность приборов, низкое энергопотребление, ударо- и вибропрочность, что значительно расширяет область применения таких изделий. МЭМС в общем и преобразователи угловой скорости в частности, имеют большой потенциал развития и использования в различных сферах деятельности человека.
Сочетание традиционных технологий микроэлектроники и специальных технологических решений при изготовлении МЭМС позволяет получить чувствительный элемент (ЧЭ) ДУС требуемой геометрии. Использование современных систем автоматизированного проектирования (САПР) дает возможность спроектировать преобразователи угловой скорости с заданными характеристиками (диапазоном измеряемых угловых скоростей, полосой пропускания, цифровым или аналоговым выходным сигналом) для широкого круга потребителей. Имеющаяся метрологическая база позволяет оценить необходимые характеристики изготовленных ДУС для установки их соответствия техническим требованиям. Однако существует множество проблем и нерешенных задач. Одной
Для вывода уравнений динамики ЧЭ МЭМС необходимо определить обобщенные силы жесткости подвеса, а также диссипативные силы и силы инерции, записанные в определенной системе осей.
При выводе уравнений движения чувствительного элемента микромеханического устройства введем следующие допущения: масса ЧЭ является абсолютно жесткой. Корпус гироскопа подвержен трехкомпонентной угловой скорости переменной во времени.
Для определения текущего положения ЧЭ (который по предположению является абсолютно жестким телом) в пространстве предполагается что оно описывается 6 обобщенными координатами: X, К, 2 - перемещение центра масс
ЧЭ ПО одноименной ОСИ В системе осей охуг, ?х,?'у,?г . угловые координаты ЧЭ.
Введем систему осей Ох’у’г’, жестко связанную с центром масс ЧЭ. Данная система получена плоскопараллельным перемещением системы осей Охуг вдоль осей Ох, Оу, Ог на X, У, Ъ соответственно.
Запишем выражение для кинетической энергии вращательного движения

Т,г=(аР2+Вя1 + Сг1)
2 , (3.1.1)
где А, В, С - моменты инерции ЧЭ гироскопа относительно осей ОхЗ, ОуЗ,
0x3 соответственно, р, д, г - угловые скорости, см. рис.3.1.2.