Методы повышения точности съема информации в микромеханических гироскопах

Первый кремниевый микромеханический гироскоп (ММГ) был предложен Драйперовской лабораторией в 1991 г. [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-, RRили смешанного, например, RL-типа [74]. В разных странах проводились интенсивные исследования, направленные на создание ММГ, но до 1998 г. промышленного производства ММГ не существовало.

В 1997 г. фирма Bosch разработала и с 1998 г. 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 ЯЯ-типа с электростатическим возбуждением [12].

В 2002 г. 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 фотои 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].

S X.

1> а <и 2 со X I О с л S.

Сотовьк.

Видеокамеры тел.

Оборонная промышленность.

Автомобили с-мы торможения.

GPS.

Навигация.

Промышленность.

Системы стабилиза ции.

->

Точность Рис. 1. Области применения ММГ.

Анализ рынка микромеханических систем показывает устойчивый рост производства и продаж микромеханических инерциальных датчиков [26]. На рис. 2, показано изменение продаж за 5 лет. Как видно из диаграммы на рис. 3 доля инерциальных датчиков на мировом рынке увеличивается при общей тенденции удвоения рынка за 5 лет.

Рис. 2. Прогноз мировых продаж МЕМС микропневматические датчики ЗК% ине (н|*мпьмыед<�мчмю1 двигатели 21% 3% другие типы датчиков.

МЭМС 18% датчики давления.

14%.

РЧ МЭМС.

1% микропневиатические датчики.

27%.

АР1/гие типы датчиков 10% оптические МЭМС — 22% датчики давления.

14% ннсрциа льяые дагввм 22%.

РЧ МЭМС 3% двигатели 5%.

Рис. 3. Доля разных типов микромеханических устройств на мировом рынке [26J.

Ожидается, что мировой объем продаж ММГ также будет расти и к 2010 г. составит $ 800млн (10−25 $ за измерение одной компоненты вектора угловой скорости).

Рис. 4. Объем продаж ММГ в мире.

В 2005 г. основная доля продаж ММГ (80% или 22млн. шт.) приходилась на автомобильный рынок, где ММГ использовались в системах торможения, безопасности и навигации. Для этих применений необходимы ММГ относительно невысокой точности (погрешность на уровне 0,1%, диапазон измеряемых угловых скоростей на уровне 100 — 300%) и низкой стоимости. Для вооружения требования по точности ММГ выше на 1−2 порядка. Соответственно и цена на эти ММГ не столь критична как изделий гражданского применения.

В настоящее время изготовлением ММГ занимаются следующие фирмы AnalogDevices, BEI • Technologies, Inc Honeywell, Kionixlnc, Matsushita Electric Industrial Co. Ltd, Motorola Automotive, Murata, Robert Bosch GmbH, SensoNor ASA, Silicon Sensing Systems Ltd, STMicroelectronics. Ожидается, что к ним присоединятся MELEXIS, SENSOR DYNAMIC, SMOTOROLA AUTOMOTIVE, FREESCALE, SAMSUNG, STM, INVENSENSE, MURATA, которые будут стараться занять свою нишу в области новых применений, потеснить действующие фирмы в завоеванных ими областях и не допустить на этот рынок новые фирмы [24].

Россия до 2000 г. практически не участвовала не только в производстве, но и в разработке ММГ. Однако первые же сведения о создании работающих образцов привели к тому, что в России зарубежные фирмы стали патентовать свои технические решения, в частности, и по системам съема информации в ММГ [52, 53].

Первыми к работам по созданию ММГ в России приступило ЗАО «Гирооптика» [73]. В ЦНИИ «Электроприбор» разработка ММГ началась в 2001 г и велась под руководством д.т.н. проф. Несенюка Л. П. [72, А21, А19]. Была выбрана конструкция гироскопа RR-типа. Целью является создание ММГ с погрешностью на уровне 0,01% при диапазоне измеряемых угловых скоростей до 1000%. Технологическим партнером в этой работе является французская фирма Tronic’s, владеющая технологией реактивно — ионного травления и кремний на изоляторе (SOI — Silicium on Isolator).

Проблемы, связанные с созданием микромеханического узла ММГ в ЦНИИ «Электроприбор», решались Евстифеевым М. И. [42, 43, 44, 45, 46] и.

Унтиловым А. А [76]. Ими разработана конструкция вакуумированного кремниевого модуля (ВКМ), включающий в себя диск, диаметром Змм, подвешенный над основанием с помощью торсионов, и систему электродов.

Эти электроды используются в ММГ для формирования моментов, обеспечивающих необходимые колебания ротора, подстройки резонансных частот подвесов и съема информации о перемещениях ротора. Перемещения ротора, обусловленные кориолисовым ускорением, преобразуются в ММГ в изменения емкостей конденсаторов, которые образованы ротором и электродами, а изменения емкостей — в выходной электрический сигнал (Ueblx), пропорциональный измеряемой ММГ угловой скорости (х).

Работа ММГ характеризуется достаточно широким набором характеристик [33], среди которых можно выделить в качестве основных нелинейность коэффициента преобразования, дрейф и смещение нуля (Udp), напряжение шума (£/ш). Если заменить коэффициент Кпр на величину Кпр (х, d), зависящую от величин % и d, то выходной сигнал ММГ может быть представлен выражением: / ^.

U^=Knp (x, d) x + U<)p+Uul. (В.1).

В этом случае задача повышения точности системы съема информации может рассматриваться как задача минимизации разности | Ueblx — К0% (.K=const).

В диссертации проведен анализ факторов, влияющих на величины Кпр (х, d), UdP и иш, для выполненного по технологии кремний на изоляторе (КИН) ММГ RR-типа, разработаны методы минимизации величин Udp, UM и |Кпр (х, d) — К01 и предложены технические средства реализации этих методов.

Основой системы съема информации в ММГ являются емкостные датчики перемещения, которые должны иметь очень высокую чувствительность и точность. С их помощью перемещения ротора на уровне 0,1 мкм преобразуются в электрический сигнал с погрешностью менее 0,01%, о что соответствует разрешающей способности этих датчиков менее 0,1 А.

При этом амплитуда колебаний ротора, обусловленных технологическими погрешностями изготовления ММГ, может даже превосходить амплитуду, соответствующую максимальной измеряемой скорости [36]. Поэтому значительная часть диссертации посвящена исследованию работы этих датчиков в ММГ RRтипа, выполняемого по технологии SOI, в том числе и влиянию на погрешности системы съема информации.

Технические решения, полученные при выполнении диссертационной работы и направленные на повышение точности системы съема информации в разрабатываемом в ЦНИИ «Электроприбор» ММГ, защищены патентами РФ.

В данной диссертации поставлено целью разработать методы и научные основы методик расчета и проектирования высокоточных систем измерения перемещения ротора ММГ RR-типа и их элементов, обеспечивающих значительное повышение точности измерения угловых скоростей с помощью ММГ.

Для того, чтобы получить точность ММГ близкую к 0,01%, необходимо с помощью емкостных датчиков измерять колебания его ротора с о погрешностью на уровне 0,1 А во всем диапазоне изменения амплитуд этих колебаний при достаточно высоком уровне помех и наличии паразитных емкостей, превосходящих измеряемые изменения емкостей на несколько порядков. Эта задача усложняется и тем, что ММГ является элементом массового изготовления, стабильность и воспроизводимость его параметров должны обеспечиваться по возможности без дорогостоящих операций измерения и подстройки, несмотря на относительно большие технологические допуски на величину межэлектродных зазоров в емкостных датчиках.

Требования к чувствительности систем съема информации в ММГ на два и более порядка превосходят достигнутый к началу 90-х годов уровень чувствительности емкостных датчиков прецизионных электростатических подвесов, применяемых в самых точных электростатических гироскопах, которые в России были разработаны под руководством А. С. Анфиногенова и Б. Е. Ландау.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить последовательность задач, которые сформулированы ниже.

1. Получение точной зависимости емкости датчика выходного канала ММГ от угла поворота ротора и межэлектродного зазора на основе решения трехмерной задачи электростатики.

2. Создание методики компенсации нелинейности зависимости емкости от угла поворота ротора и уменьшения влияния межэлектродного зазора на характеристики емкостного датчика.

3. Разработка эффективных методов подавления квадратурной помехи в ММГ ДД-типа.

4. Разработка схемотехнических принципов построения преобразователей емкость — напряжение для двухканальных емкостных датчиков с общим подвижным электродом, нечувствительных к влиянию паразитных емкостей между проводящим основанием и нанесенными на нем через изолирующий слой неподвижными электродами.

5. Разработка методов уменьшения уровня помех и паразитных связей между элементами ВКМ.

6. Оценка правильности методик расчета путем сопоставления расчетных данных, результатов математического и компьютерного моделирования и экспериментальных данных, полученных при испытании ВКМ с разработанными аналоговыми схемами на дискретных элементах.

Методы исследования.

Для решения поставленной задачи в работе использовались методы и аппарат теоретической механики, теории электрических цепей, теории автоматического управления, аналоговой схемотехники, теории графов, математического анализа и компьютерное моделирование.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика определения функциональных зависимостей межэлектродных емкостей от угла поворота ротора и геометрических параметров электродов, методика расчета величин момента и коэффициента отрицательной жесткости в электродной структуре ММГ /?/?-типа, основанная на числовом решении трехмерной задачи электростатики.

2. Методика алгоритмической линеаризации характеристики емкостного датчика с плоскими электродами для ММГ LLи &К-типа и обеспечения инвариантности крутизны этих датчиков от межэлектродного зазора.

3. Методы подавления квадратурной помехи в ММГ ftft-типа, заключающиеся в формировании компенсирующего момента или электрических сигналов.

4. Анализ эффектов, выявляемых на максимально полной эквивалентной электрической схеме электродной структуры ММГ ЯЯ-типа, в которой учтены паразитные связи между электродами через слои кремния и оксида кремния.

5. Метод пространственного разделения измерительных сигналов в ММГ, реализуемый с помощью трансрезистивных усилителей, и создания на основе этого метода многоканальных преобразователей емкостьнапряжение для многокоординатных микромеханических датчиков.

6. Методы уменьшения паразитных связей между элементами ВКМ и шумов, заключающиеся во введении дополнительных элементов в ВКМ, увеличении толщины слоя диэлектрика под электродами, параметрической оптимизации схемы преобразователя емкость — напряжение.

7. Результаты моделирования работы узлов ММГ с помощью программ PSPICE и MATLAB и экспериментальные данные, полученные при испытаниях ММГ на основе ВКМ с аналоговыми электронными блоками на дискретных элементах.

Новыми научными результатами являются:

— метод расчета характеристик электродной структуры ММГ /?/?-типа, основанный на числовом решении трехмерной задачи электростатики;

— методика оценки паразитных электрических связей в ММГ, выполняемых по технологии кремний на изоляторе, основанная на разработанной эквивалентной электрической схеме ММГ /?7?-типа, и методы уменьшения влияния этих связей на точность ММГ;

— новые апробированные схемы многоканальных преобразователей емкость — напряжение и методики их расчета, примеры моделирования для этого класса схем;

— алгоритмы преобразования выходных сигналов преобразователей емкость — напряжение, нахождение путей реализации этих алгоритмов;

— построение моделей узлов ММГ в программах Simulink и PSPICE;

— обоснование структуры комплексной системы проектирования систем съема данных ММГ RR-типа, основанной на разработанных методах, алгоритмах и схемах.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней:

— созданы двухканальные преобразователи емкость — напряжение с.

1 о разрешающей способностью на уровне 10−20 аттофарад (1аФ = 10″ Ф), которые уже используются в стендовой аппаратуре для проверки ВКМ и в ММГ с цифровой и аналоговой электроникой на дискретных элементах и обеспечивают разрешающую способность ММГ на уровне 0,02%;

— разработаны методы построения двухканальных преобразователей емкость-напряжение, которые используются при создании ASIC ММГ;

— выработаны рекомендации по изменению конструкции в части технологии изготовления деталей ВКМ (изменена конфигурация электродов и технология изготовления крышки, с учетом влияния емкостных датчиков изменены резонансные частоты подвеса ротора).

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе проведен анализ методов повышения точности системы съема информации зарубежных ММГ, разработанных в период с 1999 по 2004гг., проведено сравнение конструкций этих ММГ с конструкцией разрабатываемого в ЦНИИ «Электроприбор» ММГ и показано, что на начальной стадии разработки ни один из этих методов не был реализован в российском ММГ.

Во второй главе разработан метод расчета характеристик двух типов (гребенчатой и с плоскими электродами) электродных структур при использовании их в качестве преобразователей угол-изменение емкости и напряжение-момент и предложены алгоритмы нормирования, позволяющие создавать дифференциальные емкостные датчики угла, нечувствительные к изменениям межэлектродного зазора. Также проведен анализ взаимодействия этих структур и приведены результаты экспериментальной проверки ММГ, описана работа ВКМ с новой электродной структурой, обеспечивающей подавление квадратурной помехи. На основе оценок и измерений емкостей между электродами и проводящими слоями кремния элементов ВКМ составлена его эквивалентная электрическая схема, учитывающая паразитные электрические связи. Рассмотрены методы уменьшения влияния этих паразитных связей на работу системы съема информации в ММГ.

В третьей главе определены пути создания преобразователей емкость-напряжение (ПЕН) фемтои аттофарадной точности для ММГ, выполненного по технологии SOI, при использовании которой паразитные емкости на порядок превосходят емкости между ротором и электродами.

На основе анализа применяемых в электростатических подвесах и ММГ преобразователей обоснован выбор варианта схемы преобразования изменений емкости в электрический сигнал для разрабатываемого ММГ.

Для выбранной схемы с учетом эквивалентной электрической схемы ВКМ получена оценка порога чувствительности, выработаны рекомендации по выбору параметров схемы для максимизации отношения сигнал/шум.

В четвертой главе рассмотрены методы уменьшения помех, создаваемых гребенчатым двигателем, проведен анализ работы адаптивной схемы компенсации квадратурной помехи, приведены результаты экспериментальной проверки разработанных технических решений для повышения точности системы съема информации. Эти испытания были проведены с ВКМ и аналоговыми электронными блоками на дискретных элементах и показали, что спектральная плотность шума ММГ с этими блоками составляет, а порог чувствительности — 0,02%.

На основании приведенной в данной главе методики оценки разрешающей способности емкостного датчика угла в выходном канале ММГ сделан вывод, что достигнутый порог чувствительности емкостного у датчика составляет (4−10″ Эта величина соответствует амплитуде о перемещений края ротора0,12 А.

В главе приведена блок-схема высокоточной системы съема информации, в которой использованы разработанные в диссертации технические решения, описана методика проектирования этой системы и проведена оценка ее потенциальной точности.

Основные результаты диссертации формулируются следующим образом:

1. Созданы основы комплексной методики проектирования систем измерения перемещения ротора в ММГЛ/?-типа, которая включает в себя:

— рекомендации по выбору конфигурации электродной структуры и конструкции микромеханической части ММГ;

— методику расчета характеристик этой структуры;

— апробированные схемы многоканальных преобразователей емкостьнапряжение и необходимые расчетные соотношения;

— эффективные алгоритмы преобразования выходных сигналов преобразователей емкость-напряжение, полученные на основе оптимизации отношения «сигнал/шум».

3. Разработано пять модификаций схемы двухканального преобразователя емкость — напряжение (две с частотным разделением сигналов на основе интегральной схемы одноканального преобразователя емкость — напряжение MS3110, три с пространственным разделением сигналов, различающиеся по форме и частоте несущей).

4. Разработана эквивалентная электрическая схема электродной структуры ММГ RR-типа, выполненного по технологии SOI, учитывающая паразитные связи между электродами через слои кремния и оксида кремния, и на ее основе оценено влияние этих связей.

5. Разработаны предложения по модификации конструкции ВКМ, обеспечивающие повышение точности ММГ RR-типа. Эти предложения включают в себя введение дополнительных электродов над зубцовой зоной ротора для подавления квадратурной помехи, увеличение толщины изоляционного слоя под электродами крышки, заземление (соединение с общим проводом источника питания) слоя металлизации на периметре основания и слоев кремния основания и крышки.

6. На основе оптимизации отношения «сигнал/шум» разработаны алгоритмы преобразования выходных напряжений трансрезистивных усилителей, входящих в состав двухканального преобразователя емкость — напряжение, и схемы на аналоговых элементах, реализующие эти алгоритмы, обеспечивающие работу ВКМ в режиме ММГ.

7. Проведены экспериментальные исследования ММГ с аналоговыми электронными блоками. В результате испытаний получены следующие характеристики ММГ: порог чувствительности 0,02%, диапазон измеряемых скоростей 150%.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

А1. А.с. № 1 045 716 СССР. Способ измерения смещения подвешиваемого тела в активном электрическом подвесе и активный электрический подвес для реализации данного способа / Некрасов Я. А., 1983 г.

А2. А.с. № 866 761. Устройство подавления квадратурной помехи в усилителе следящей системы / Некрасов Я. А. (СССР), 1981.

A3. А.с. № 1 223 714 СССР. Способ измерения смещения подвешиваемого тела и активный электрический подвес для его осуществления. / Некрасов Я. А., Степанов К. В., Ярощук Г. Г., 1985 г.

А4. А.с.№ 1 353 073 СССР. Активный электрический подвес / Некрасов Я. А., Щербаков В. Н., Ярощук Г. Г., 1985 г.

А5. Некрасов Я. А., Андреева Т. А. Система подавления квадратурной помехи в выходном сигнале микромеханического гироскопа. // VII конференция молодых ученых «Навигация и управление движением»: сб. докл. — СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2006. -С.175−181.

А6. Некрасов Я. А., Фрезинский B.C. Активные электростатические подвесы, ЦНИИ Румб, 1987 г., 112стр.

А7. Некрасов Я. А. Анализ замкнутых систем с резонансными звеньями в программах PSPICE и SIMULINK: сб. науч. тр. Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде Matlab», 2004.-С. 1583−1588.

А8. Патент 2 244 271 РФ, МПК7 G 01 Н 11/06. Способ контроля качества изготовления микромеханических устройств / Моисеев Н. В., Некрасов Я.А.- заявитель и патентообладатель ЦНИИ «Электроприбор» — заявл. 13.05.2003; опубл. 10.01.2005, Бюл. № 1. — 7 с.: ил.

А9. Патент 2 282 152 РФ. Устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа / Некрасов Я. А., 30.03.2005.

А10.Патент 2 289 789 РФ, МПК G 01 С 19/56. Устройство измерения перемещения подвижной массы микромеханического гироскопа по оси первичных колебаний / Некрасов Я.А.- заявитель и патентообладатель ФГУП «ЦНИИ «Электроприбор» — 2 005 130 466/28- заявл. 23.09.2005; опубл. 20.12.2006, Бюл. № 35. — 8 е.: ил.

All.Патент № 2 272 994 РФ. Микромеханический гироскоп / Некрасов Я. А.- 01.10.2004.

А12.Патент № 2 274 833 РФ. Устройство преобразования сигналов микромеханического гироскопа вибрационного типа / Некрасов Я. А., Моисеев Н. В., 20.04.2006.

А13.Патент № 2 279 634 РФ. Микромеханический гироскоп / Некрасов Я. А., 01.10.2004.

А14.Патент № 2 282 149 РФ. Двухканальное устройство измерения перемещений подвижного проводящего тела / Некрасов Я. А, приоритет 10.03.2005 г.

А15.Патент № 2 282 151 РФ Микромеханический гироскоп / Некрасов Я. А., Беляев Я. В., 10.03.2005 г.

А16.Патент 2 289 100 РФ, МПК G 01 С 19/56 Способ измерения угловой скорости и микромеханический гироскоп для его реализации / Некрасов Я.А.- заявитель и патентообладатель ФГУП «ЦНИИ «Электроприбор» -2 005 131 912/28 — заявл. 11.10.2005 — опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34. — 17 с.: ил.

А17.Патент№ 51 233 РФ. Устройство управления гребенчатым двигателем микромеханического датчика с резонансным подвесом дискового ротора / Некрасов Я. А., Уткин Д. А., 28.05.2004.

А18.Пешехонов В. Г., Несенюк Л. П., [Кунерков С.Г.|, Евстифеев М. И., Некрасов Я. А. Результаты разработки микромеханического гироскопа. -XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным системам. — 2005 г. — с.268−274.

А19.Пешехонов В. Г. Результаты разработки микромеханического гироскопа / В. Г. Пешехонов [и др.] // Гироскопия и навигация, 2005. -№ 3(50). С.44−51.

А20.Попова И. В. Термостатирование микромеханических инерциальных датчиков / И. В. Попова, Н. В. Моисеев, Я. А. Некрасов, А. А. Семенов // Нанои микросистемная техника, 2001, — № 5. С.22−24.

A21.Peshekhonov V. G Development and Test Results of a Micromechanical Disc-shape Gyroscope / V.G. Peshekhonov [et al.] // Symposium Gyro Technology, 2005. -pp.8.0−8.10.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.