Содержание к диссертации
Введение
1. Микромеханические гироскопы - класс информационно-измерительных систем 15
1.1. Конструкции и принцип действия микрогироскопов 15
1.2. Свойства больших систем в переносе на микросистемы 22
1.3. Классификация гироскопических микросистем 26
1.4 База данных чувствительных элементов гироскопическихмикросистем 32
Выводы 34
2. Математическое описание гироскопических микросистем 35
2.1 Описание динамики чувствительных элементов гироскопических микросистем 35
2.2 Элементная база ЧЭ гироскопических микросистем
2.2.1 Упругие элементы подвеса 44
2.2.2 Преобразователи силы и перемещений
2.2.2.1 Электростатические преобразователи силы 55
2.2.2.2 Электростатические преобразователи перемещения 63
2.2.2.3 Эффект Pull-in в электростатических преобразователях 64
2.3 Демпфирование и добротность ЧЭ ГМС 67
2.3.1. Добротность 67
2.3.2 Демпфирование 69
Выводы 72
3. Анализ динамики и измерительных свойств гироскопических микросистем 74
3.1 Инструменты и методы анализа динамики ГМС 74
3.2 Алгоритм экспресс-анализа динамики ГМС 75
3.3 Реализация алгоритма экспресс-анализа динамики ГМС
3.3.1 Модуль расчёта параметров ЧЭ гироскопических микросистем . 77
3.3.2 Библиотека моделирования гироскопических микросистем
3.3.3. Сопоставимый анализ алгоритма экспресс-анализа 81
3.3.4. Пример анализа ГМС 85
Выводы 97
4 Синтез гироскопических микросистем 98
4.1 Обзор методов и инструментов проектирования ГМС 98
4.2 Алгоритм проектирования ГМС 102
4.3. Пример проектирования ГМС 104
Выводы 122
Заключение 124
Список литературы
- Классификация гироскопических микросистем
- Эффект Pull-in в электростатических преобразователях
- Модуль расчёта параметров ЧЭ гироскопических микросистем
- Алгоритм проектирования ГМС
Введение к работе
Актуальность работы
Одним из основных направлений в области информационно-измерительных систем являются приборы и системы для определения параметров движения и ориентации объектов в пространстве Такие приборы и системы называются инерциальными, основу которых составляют гироскопы и акселерометры различных типов и конструктивного исполнения Развитие инерциальных систем во второй половине XX века, благодаря их автономности, в отличие от других систем ориентации (радиолокационных, оптических и др), позволяет в настоящее время широко применять их в управлении летательными аппаратами, судами и подводными лодками, роботами, автомобилями и другими подвижными объектами
Неотъемлемой частью развития современной техники является появление новых технологий, связанных с миниатюризацией и снижением стоимости, повышением точности и надежности изделий Развитие электроники в середине XX века привело к появлению новых перспективных направлений в приборостроении Одним из таких направлений в XXI веке становится МСТ (Микросистемная техника).
МСТ - это научно-техническое направление, имеющее целью создание в ограниченном объеме твердого тела микросистем с линейными размерами от микрометров до миллиметров, которые могут выполнять функции генерирования, преобразования и передачи энергии, восприятия физических величин в различных энергетических областях (механическая, тепловая, химическая, оптическая, магнитная, электрическая) в интеграции с процессами их обработки, хранения и трансляции
Аббревиатура МЭМС, возникшая в США, определяет не только множество микроструктур с заданными свойствами, но и совокупность материалов и технологий для их изготовления
Одной из первых МЭМС, наряду с микромеханическими датчиками давления и акселерометрами, стали микромеханические гироскопы (МГ) или микрогироскопы Малая масса, габариты и сравнительно низкая стоимость позволяют расширить области применения гироскопов и, как следствие, создавать новые системы навигации и управления движением
Чтобы иметь представление о задачах, решаемых различными типами гироскопов, отметим, что автономная навигация подводных лодок может быть обеспечена с помощью механических, лазерных и волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) с дрейфом, не превышающим 1,5 10" град/час, и стабильностью масшгабного коэффициента порядка 10"4 % Задачи управления крылатыми ракетами и навигации наземного транспорта и авиации могут быть решены гироскопами (лазерными, ВОГ, динамически настраиваемыми) с дрейфом, не превышающим 0,015 град/час, и стабильностью масштабного коэффициента порядка 10"3 % Задачи управления противоракетами и тактическими ракетами могут быть решены с помощью микромеханических гироскопов Заметим, что дрейф, равный 0,015 град/час, примерно
соответствует угловой скорости объекта, перемещающегося по поверхности Земли со скоростью 1 миля/час
Однако технические характеристики МГ отечественных и зарубежных разработчиков в настоящее время не всегда позволяют использовать их при построении информационно-измерительных систем для задач навигации Следовательно, задача разработки МГ в России является актуальной
Кроме того, современная российская элементная база МГ пока еще существенно уступает по основным техническим характеристикам зарубежным образцам Это обусловлено отсутствием технологической базы и опыта в разработке МГ В связи с этим, весьма актуальными являются задачи анализа, синтеза МГ и, как следствие, повышения их точности
Теоретические предпосылки к решению этих задач созданы трудами отечественных и зарубежных ученых. Ч С Драйпера, Р.Т Хоуви, В Г Пешехонова, М И. Евстифеева, П.К Плотникова, В Э Джашитова, В Н Панкратова, С Ф Коновалова, Д Г Грязина, Л А Северова Л П Несенюка, В Я Распопова. Тем не менее, в отечественной научной литературе недостаточно отражены особенности проектирования МГ, а также недостаточно разработаны методы их автоматизированного проектирования
В настоящее время иностранными разработчиками созданы специализированные пакеты программного обеспечения (MEMS Pro, CoventorWare), позволяющие выполнять проектирование различных объектов МСТ, в том числе и микрогироскопов Однако применение данных программных продукты для задач анализа и синтеза на этапах эскизного проектирования весьма затруднительно по ряду причин
требуется знание всех конструктивных параметров и полное описание технологического процесса производства,
необходим опыт работы с другим программным обеспечением, а в некоторых случаях и знание языков программирования,
отсутствие сведений об используемом математическом описании,
отсутствие возможности учета экспериментальных данных;
высокая стоимость
В связи с этим разработка методов и средств анализа и синтеза микромеханических гироскопов является актуальной задачей
В данной работе рассмотрены микромеханические гироскопы LL-типа, как класс информационно-измерительных систем, а также вопросы анализа и синтеза их измерительных свойств
Цель и задача, исследования и разработки
Целью диссертационной работы является разработка и реализация методов автоматизированного анализа и синтеза измерительных свойств микрогироскопов LL-типа
В соответствии с целью была сформулирована научная задача, решаемая в работе, - разработка и реализация алгоритмов экспресс-анализа и синтеза измерительных свойств микромеханических гироскопов LL-типа
Для решения поставленной задачи проведены следующие исследования и разработки
выполнен анализ патентной информации и публикаций, посвященных микромеханическим гироскопам,
выполнен анализ архитектуры микромеханических гироскопов,
определены типовые схемы микромеханических гироскопов LL-типа и типовые конструкции функциональных узлов и их типовые измерительные цепи,
разработана классификация микромеханических гироскопов,
- разработана база данных чувствительных элементов
микромеханических гироскопов,
~ получены математические модели типовых конструкций и математическое описание функциональных узлов микромеханических гироскопов LL-типа,
- рассмотрены существующие методы анализа и синтеза
микромеханических гироскопов и выполнен анализ их эффективности,
- разработаны алгоритмы экспресс-анализа и синтеза измерительных
свойств микромеханических гироскопов LL-типа,
- разработаны программный модуль расчета параметров и библиотеки
моделирования работы микромеханических гироскопов LL-типа
- выполнен сравнительный анализ алгоритма экспресс-анализа с
существующими методами и средствами анализа с целью проверки
адекватности математических моделей и математического описания
микромеханических гироскопов LL-типа
Методы исследований
При разработке алгоритмов и инструментов анализа были использованы основные положения механики, теории упругости, теории электрических цепей, применялись математические методы анализа, методы программирования и имитационного моделирования
Достоверность полученных результатов
Теоретические положения и результаты расчетов подтверждены вычислительным экспериментом
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами
1 Алгоритм анализа измерительных свойств микромеханических
гироскопов, отличающийся возможностью быстрой оценки
(экспресс-анализ) измерительных свойств микромеханических
гироскопов LL-типа различного конструктивного исполнения,
2. Алгоритм синтеза измерительных свойств микромеханических
гироскопов LL-типа, отличающийся возможностью
использования математических моделей и математического
описания типовых конструктивных схем и функциональных
узлов с учетом технологических ограничений и ограничений
электроники,
3 Модуль расчета параметров функциональных узлов типовых
конструкций и библиотеки моделирования, обеспечивающие реализацию предложенных алгоритмов анализа и синтеза
измерительных свойств микромеханических гироскопов LL-типа
Практическая значимость работы
Проведенный в работе анализ существующих решений микромеханических гироскопов LL-типа позволил выделить типовые конструктивные схемы и функциональные узлы чувствительных элементов, для которых составлены математические модели и получено математическое описание, что позволяет использовать их при анализе и синтезе на этапах эскизного проектирования
Выполненный анализ влияния изменения размеров типовых упругих элементов подвеса, позволяет выбирать упругие элементы в зависимости от требований к конструкции чувствительного элемента и технологических ограничений
Предложенные в работе алгоритмы могут быть использованы при анализе измерительных свойств существующих решений, синтезе измерительных свойств на этапе эскизного проектирования, а также при разработке систем автоматизированного проектирования и расчета (САПР) для микромеханических гироскопов LL-типа Подходы, реализованные в алгоритмах, могут быть использованы при анализе и синтезе измерительных свойств микромеханических гироскопов других типов
Разработанные модуль расчета параметров функциональных узлов чувствительных элементов и библиотеки моделирования работы типовых конструктивных схем могут быть использованы при анализе и синтезе других типов микромеханических гироскопов при дальнейшем анализе существующих решений и расширении элементной базы
Положения, выдвигаемые на защиту:
-
Математические модели, описывающие основные физические процессы, сопровождающие работу микромеханических гироскопов LL-типа
-
Математическое описание функциональных узлов микромеханических гироскопов LL-типа
-
Научно-обоснованные требования по выбору типовых конструкции упругих элементов подвеса микромеханических гироскопов LL-типа
-
Алгоритм экспресс-анализа измерительных свойств микромеханических гироскопов LL-типа
-
Алгоритм синтеза измерительных свойств микромеханических гироскопов LL-типа
-
Результаты вычислительного эксперимента, подтверждающего адекватность математических моделей микромеханических гироскопов LL-типа и математического описания их функциональных узлов.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы при разработке виртуальных расчетно-практических работ по курсу «Микросистемная техника приборов и систем ориентации, стабилизации, навигации», на которые получены акты внедрения Виртуальные расчетно-практические работы использовались при проведении
- лабораторно-рассчетные практикумы по курсу «Микросистемная
техника приборов и систем ориентации, стабилизации, навигации» в
ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» на кафедре
«Приборы управления»,
занятий в Российском государственном технологическом университете им КЭ Циолковского (г Москва) на кафедре «Технология производства приборов и систем управления летательных аппаратов» (2004 г),
курсов повышения квалификации сотрудников Всероссийского научно-исследовательского института технической физики имени академика ЕЙ Забабахина(г Снежинск)(2005,2007гг),
и приобретены
- Санкт-Петербургским государственным университетом
информационных технологий, механики и оптики (2007 г),
- ГНЦ РФ ЦНИИ "ЭЛЕКТРОПРИБОР" (г Санкт-Петербург) (2007 г ),
- ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет»
(2007 г)
Апробация работы. Материалы, представленные в данной диссертационной работе, докладывались и обсуждались на конференциях.
XIV Юбилейный мехсдународный научно-технический семинар «Современные технологии в задачах управления автоматики и обработки информации» Украина, г Алушта, - 2005 г., Международная молодежная научная конференция «XXXI Гагаринские чтения» г Москва, - 2005 г, VIII конференция молодых ученых "Навигация и управление движением" г. Санкт-Петербург, - 2006 г
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключении, списка литературы, двух приложений Основная часть изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков, 19 таблиц Список литературы содержит 72 наименования Приложения к диссертации занимают 7 страниц
Классификация гироскопических микросистем
Микромеханические гироскопы являются электромеханическими системами, в которых энергия вынужденных (первичных) колебаний инерционной массы (ИМ) на упругом подвесе (резонатор) при появлении переносной угловой скорости преобразуется в энергию вторичных колебаний, которые содержат информацию об измеряемой угловой скорости. Это преобразование осуществляется вследствие воздействия на резонатор сил (или моментов) инерции Кориолиса при вращении резонатора с переносной угловой скоростью, вектор которой перпендикулярен вектору количества движения, или момента количества движения (кинетического момента), соответственно для поступательных или вращательных первичных колебаний ИМ.
Первичные колебания называют также режимом движения (РД), или движением по координате возбуждения, а вторичные — режимом чувствительности (РЧ), или движением по координате выходного сигнала.
По виду движения инерционных масс в РД и РЧ различают гироскопы LL-типа (linear-linear), или LL-гироскопы; гироскопы RR-тииа. (rotare-rotare), или ЯД-гироскопы и гироскопы /Л?-типа, или /,Я-гироскопы. В LL-гироскопах инерционные массы в РД и РЧ совершают поступательные перемещения, в .КЯ-гироскопах - вращательные перемещения, в LR (Л)-гироскопах - различные комбинации поступательных и вращательных перемещений инерционных масс [51].
В процессе поиска и обработки информации по существующим конструктивным решениям чувствительных элементов ЧЭ МГ были изучены патентные описания [17-45] отечественной и американской патентных баз за период с 1996 по 2007 г.
Как следует из табл. 1.1, большинство составляют МГ LL-типа. Это связано с тем, что МГ данного типа проще в изготовлении и управлении, что сказывается на производственных затратах и их конечной стоимости. В связи с этим, актуальными являются задачи анализа и синтеза микрогироскопов LL-типа.
Рассмотрим примеры конструктивных схем ЧЭ МГ LL-типа.
Конструктивная схема одномассового ЧЭ МГ LL-типа ф. Robert Bosch GmbH (Германия) [20] приведена на рис 1.1. МГ выполнен по планарной, кремниевой технологии и вся микроструктура расположена на некотором расстоянии над подложкой. Инерционная масса 1 имеет четыре упругих элемента 3 подвеса, которые обеспечивают возможность ее перемещения в направлении оси х относительно опорных рамок 6, 9, которые, в свою очередь, имеют возможность перемещений в направлении оси у за счет малой жесткости упругих элементов 11, которые связаны с подложкой через анкеры 10. Гребенчатые структуры электродов 2, 7 могут использоваться в одном из двух режимов. В первом режиме обе структуры исполняют функцию привода, обеспечивающего движение ИМ 1 со скоростью V вдоль оси х (РД). В этом случае напряжение попеременно поступает каждой из структур и подвижные электроды, являющиеся частью ИМ 1, притягиваются неподвижными электродами, связанными с подложкой анкерами 8. Во втором режиме одна из структур 2, 7 может выполнять функцию привода ИМ 1, обеспечивающего РД, а вторая - функцию емкостного измерителя перемещений ИМ 1, информация о которых может использоваться в контуре привода. При появлении переносной угловой скорости П2 ИМ 1 под действием сил инерции Кориолиса начинает виброперемещения в направлении оси у (РЧ). За счет большой жесткости упругих элементов 3 в направлении оси у вместе с ИМ 1 перемещаются и рамки 6,9, инерционная масса которых увеличивает ИМ 1. Измерение перемещений в РЧ осуществляется ёмкостными измерителями 4, которые могут быть включены в дифференциальную схему. Подвижные электроды измерителей перемещений являются частью структур опорных рамок, а неподвижные электроды, объединенные в единые структуры, связаны с подложкой анкерами 5.
Конструктивная схема одномассового ЧЭ МГ LL-типа, ф. Samsung Electro Mechanics Co., Ltd. (Корея) приведена на рис. 1.2 [40]. ЧЭ МГ выполнен в виде планарной конструкции на кремниевой подложке и включает наружную 1 и внутреннюю 2 инерционные массы, между которыми расположены четыре упругих элемента 7 подвеса, обеспечивающих возможность перемещений ИМ 2 в направлении оси у. Четыре упругих элемента 6 подвеса, размещенных между анкерными элементами 3 и ИМ 1, обеспечивают возможность совместного перемещения инерционных масс в направлении оси х. Электростатические приводы расположены вдоль оси у симметрично относительно ИМ 1 и содержат гребенчатые структуры 9, объединенные с ИМ 1 и аналогичные структуры электродов, являющиеся частью анкерных элементов 8.
Эффект Pull-in в электростатических преобразователях
Полученные результаты, приведённые на рис. 2.3 — 2.5 и табл. 2.5, позволяют сделать следующие выводы: частоты колебаний РД и РЧ и расстройка в большей степени зависят от изменения ширины и в меньшей от длины УЭ; УЭ 1 обладает наименьшим коэффициентом влияния при изменении его длины, однако влияние на частоты колебаний и расстройку оказывает изменение толщины структуры, в отличие от УЭ З, 4, 5, для которых изменение толщины структуры не оказывает влияния на частоты колебаний, а следовательно и на рас-стройуку частот и масштабный коэффициент; геометрические параметры упругих элементов 3, 4, 5 оказывают большее влияние на частоты колебаний, расстройку и масштабный коэффициент, чем параметры УЭ 1, вследствие чего для обеспечения требуемых характеристик ЧЭ ГМС потребуется более высокая точность изготовления, однако постоянное развитие технологий производства позволит в скором времени обеспечивать необходимые допуски; максимальный масштабный коэффициент достигается при нулевой расстройке частот РД и РЧ и убывает по мере её возрастания; изменение толщины структуры не оказывает влияния на характеристики ЧЭ ГМС в случае с УЭ 3, 4, что позволяет уменьшить число технологических этапов при производстве (например, не использовать этап химико-механической шлифовки для обеспечения требуемой толщины структуры); характеристики УЭ 3, 4 имеют высокую степень идентичности, что позволяет говорить, что степень влияния изменения их геометрических размеров на частоты колебаний, расстройку и масштабный коэффициент будет аналогичной, однако, УЭ 3 является более предпочтительным, чем УЭ 4, поскольку при равности их жесткостей, УЭ 3 будет иметь меньшие габариты.
Аналогичным образом может быть выполнен анализ влияния изменения геометрических параметров других конструкций УЭ. 2.2.2 Преобразователи силы и перемещений
Благодаря своей простоте электростатические преобразователи силы и перемещения являются самыми распространёнными электромеханическими преобразователями, применяемыми в микромеханических акселерометрах, гироскопах и других МЭМС. Однако они предъявляют высокие требования к условиям окружающей среды, поскольку существующие в них электростатические поля притягивают пыль, что может пагубно сказаться на работе самого устройства, а также на связанных с ними КМОП-схемах.
Электростатические преобразователи относятся к классу энергонакопительных преобразователей. Такие преобразователи накапливают энергию, когда над ними совершаются электрическая или механическая работа. В общем виде структуру таких преобразователей в виде конденсатора, одна из пластин которого под действием приложенного напряжение смещения может перемещаться. В этом случае электрическая энергия преобразуется в механическую. 2.2.2Л Электростатические преобразователи силы
Потенциальная энергия заряда Q, накапливающаяся на конденсаторе ёмкостью С(х, у, z)t к которому приложено напряжение U, определяется равенствами [51]: = ±-U2C(x,ytz), где х, у, z координаты, определяющие взаимное положение пластин конденсатора. Вычисляя частные производные от выражения (2.24) для потенциальной энергии, можно получить консервативные электростатические силы:
Предположим, что переменными, определяющим положение пластины являются координаты х, у. В этом случае емкость между пластинами конденсатора равна (рис. 2.6):
Из результатов (2.27) следует, что для рассматриваемого варианта имеется составляющая электростатической силы вдоль оси х, которая не зависит от этой координаты. Составляющая вдоль оси z отсутствует, а составляющая вдоль оси у представляет нелинейную силу электростатического напряжения, которая зависит от перемещений по координатам х, у.
Рассмотрим формирование разностной электростатической силы в преобразователе силы (микродвигателе) с изменяемым зазором между электродами в направлении оси (рис. 2.7)! Пусть ёмкость С] увеличивается и при этом канал обратной связи формирует на ней напряжение их=ий иу. Ёмкость С2 при этом уменьшается, а напряжение равно - U2 = UQ + Uy. В соответствии с (2.25, 2.26) и (Ах=0), получим:
Модуль расчёта параметров ЧЭ гироскопических микросистем
Помимо временных затрат, МКЭ имеет ряд других недостатков: при изменении размеров ЧЭ, конструкцию необходимо перестраивать; точность вычислений зависит от качества разбиения на отдельные элементы (создание сетки), их количества и размеров; отсутствие возможности учёта экспериментальных данных; отсутствие возможности анализа в составе измерительной цепи. Исходя из вышесказанного, аналитические методы являются более предпочтительными. Однако, в ряде случаев, когда их применимость ограничена, задача анализа может быть решена с помощью МКЭ. Применение МКЭ целесообразно для анализа отдельных функциональных узлов, с целью уточнения их математического описания при создании библиотеки типовых элементов. Алгоритм экспресс-анализа динамики ГМС
Сокращение сроков проектирования и анализа в различных отраслях промышленности является необходимым в условиях жёсткой конкуренции. В связи с этим, разработка методов и инструментальных средств, позволяющих проводить анализ динамики ГМС в кротчайшие сроки, является актуальной задачей.
Расчёт силы, создаваемой датчиком силы РД (приводом) Расчет изменения ёмкости на датчике перемещения РЧ 1 1 Расчет изменения ёмкости на датчике перемещения РД Расчёт силы, создаваемой датчиком силы РЧ Расчёт абсолютногокоэффициента демпфированияРД Расчёт абсолютногокоэффициента демпфированияРЧ 1 Вычисление собственнойчастоты колебании идобротности в РД Вычисление собственнойчастоты колебаний идобротности в РЧ - С Редактііровда нет J III этап Ввод параметров РД и РЧ в модель Построение измерительной цепи ГМС Построение частотных характеристик ЧЭ ГМС Моделирование работы и анализ динамики ЧЭ ГМС Рис. 3.2. Алгоритм экспресс-анализа динамики ГМС На I этапе для конструкции ЧЭ задаются размеры и материал структуры и рабочей среды, которые зависят от технологии производства, поскольку одна и та же конструкция может быть изготовлена по разным технологиям.
Поскольку ЧЭ работает в двух режимах (РД и РЧ), то при анализе конструкцию условно можно разделить на два резонатора, соответственно. Поэтому на втором этапе для каждого резонатора рассчитываются параметры его функциональных узлов (инерционная масса, упругие элементы подвеса и преобразователи силы и перемещения).
На третьем этапе рассчитанные параметры РД и РЧ вводятся в математическую модель, описывающую динамику ЧЭ и строится измерительная цепь ГМС, в соответствии с рассматриваемой ГМС. Далее, для полученной модели системы строятся частотные характеристики и выполняется моделирование при заданных внешних воздействиях.
Рассмотренный алгоритм позволяет проводить экспресс-анализ ГМС различных типов в кратчайшие сроки.
Для большинства известных конструктивных схем ЧЭ, представленных в патентных описания и публикациях, получено математическое описание их функциональных узлов (см. глава 2). В случае, если для каких-либо функциональных узлов ЧЭ математическое описание отсутствует, оно может быть получено путём дополнительного анализа или с помощью МКЭ.
Наряду с аналитическими методами и МКЭ, для анализа динамики ЧЭ ГМС может применяться специализированное программное обеспечение, которое будет рассмотрено далее.
Для реализации этапов I и II, рассмотренного алгоритма экспресс-анализа динамики ГМС, была разработана программа «Резонатор» (рис. 3.3) на языке высокого уровня Object Pascal в среде Delphi [2, 6]. Программа «Ре 78 зонатор» позволяет, выбрав из библиотеки или задав новые параметры материалов структуры ЧЭ и рабочей среды (I этап), рассчитать следующие параметры резонатора, отдельно для резонатора РД и РЧ (II этап):
Программа «Резонатор» В основу программы положено математическое описание типовых упругих элементов, преобразователей силы и перемещения, а так же механизмов демпфирования, рассмотренных в главе 2.
Полученные с помощью программы «Резонатор» результаты могут быть использованы при моделировании работы ГМС.
Каждый элемент библиотеки базовых схем ЧЭ ГМС реализует математическую модель, описывающую его динамику. Входными параметрами являются сила или момент, создаваемые преобразователем силы, и внешние воздействия, выходные - перемещение по соответствующим координатам РД и РЧ. Перед началом моделирования в модель вводятся параметры функциональных узлов ЧЭ для РД и РЧ: массы ИМ, коэффициенты жёсткости упругого подвеса и абсолютные коэффициенты демпфирования.
Элементы библиотеки преобразователей силы позволяют получать электростатическую силу в соответствии с заданными конструктивными параметрами преобразователей. Входными параметрами являются напряжение генератора, опорное напряжение на структуре и управляющее напряжение цепи обратной связи.
Элементы библиотеки преобразователей перемещения предназначены для преобразования перемещений ЧЭ ГМС в напряжение за счёт изменения их ёмкости. Таким образом, элементы библиотеки выполняют роль двух преобразователей: преобразователя перемещение-ёмкость и преобразователя ёмкость-напряжение. Входными параметрами являются перемещение ЧЭ и напряжение генератора прямоугольных импульсов, обеспечивающего заряд и разряд преобразователя. Исходными данными для каждого блока являются конструктивные параметры.
Сопоставимый анализ выполним для конструкции, представленной на рис. 3.6, используя программу «Резонатор», библиотеки моделирования ра боты ГМС и моделя ARCHITECT для проектирования и анализа МЭМС программного комплекса Coventor Ware [72], который будет рассмотрен далее.
Исследуемая конструкция ЧЭ ГМС В качестве материала структуры используется поликремний (плотность р = 2510 кг/м3; модуль упругости Е = 169 ГПа), рабочая среда - воздух (давление Р = 0,1 Па), воздушный зазор между структурой и основанием 2 мкм. Толщина структуры - 10 мкм, частоты РД и РЧ одинаковые.
Алгоритм проектирования ГМС
В соответствии с представленной на рис. 4.2 схемой проектирования, проектирование начинается с выбора материалов и создания технологического процесса. Затем, используя модуль ARCHITECT, используя параметрические модели библиотеки элементов, создаётся структура устройства, что позволяет оценить, как МЭМС-компоненты взаимодействуют между собой и окружающей их системой.
Модуль предлагает пользователям библиотеки моделей электромеханических компонентов, оптических, микрожидкостных, СВЧ и магнитомеха-нических, точность которых была проверена с помощью лабораторных исследований. Быстрая коррекция параметров элементов, значительно сокращает длительность моделирования, что даёт возможность посредством нескольких итераций выполнять настройку «на лету» и оптимизацию. Кроме того, электронная схема, являющаяся неотъемлемой частью МЭМС-системы, моделируется совместно с механическими узлами.
Следующим шагом после оптимизации архитектуры и размеров устройства является более подробный анализ и верификация проекта. Специ 101 альные инструменты выполняют автоматическую экстракцию плоской топологии устройства из редактора схем в редактор масок. На основе полученных масок и детального описания технологического процесса модуль DESIGNER генерирует трёхмерные модели МЭМС-устройств, после чего можно выполнить их более точное моделирование и оптимизацию с помощью соответствующих численных методов, для чего модуль ANALYZER предлагает широкий набор вычислительных ядер для моделирования специфических физических процессов. По двухмерному описанию топологии проектируемого МЭМС-устройства генерируется набор масок, необходимых для производства [48, 49, 72].
Возможность работы с библиотеками параметрических моделей МЭМС-устройств позволяет разработчикам снизить число задействованных в процессе проектирования программ, использующих метод конечных элементов. Однако, такие программы всё ещё необходимы, когда для построения сложных МЭМС-компонентов требуется моделирование базовых элементов. Более того, они незаменимы в случаях, когда параметрические модели не существуют. В этом случае пользователь может самостоятельно спроектировать и промоделировать их, после чего на основе полученных данных -сгенерировать новую параметрическую модель с помощью модуля INTEGRATOR.
Как уже отмечалось, применение рассмотренных программных продуктов для задач анализа и синтеза на этапах эскизного проектирования весьма затруднительно.
Кроме того, высокая стоимость и отсутствие сведений о математическом описании, используемом в ходе проектирования, делают данное программное обеспечение малодоступным, а расчёты доверительными.
В связи с этим, разработка методов, алгоритмов и программных продуктов для проектирования ГМС является актуальной задачей. Кроме того, одной из задач, сформулированных правительством, является разработка отечественных программных продуктов.
В соответствии с предлагаемым алгоритмом, на первом этапе выполняется выбор измерительной цепи, синтез конструкции ЧЭ путём выбора базовой схемы и функциональных узлов ЧЭ, и ввод их конструктивных параметров. На следующем этапе, с учётом требований ТЗ, ограничений по технологии и возможностям электроники выполняется последовательный расчёт параметров РЧ и РД для синтезированной конструкции ЧЭ с промежуточным контролем определяемых параметров и коррекцией начальных параметров. Для рассчитанных элементов конструкции определяются коэффициенты демпфирования, а также добротности РД и РЧ. Окончательно выполняется проверочный расчёт и корректировка начальных и полученных параметров. Как следует из описания алгоритма, процесс проектирования носит итерационный характер, что позволяет добиться оптимальных результатов.
На данном этапе алгоритм позволяет выполнять синтез ЧЭ ГМС по диапазону измерений, минимальной измеряемой угловой скорости и полосе пропускания. В дальнейшем планируется модифицировать алгоритм синтеза с учётом требований вибрационных и ударных нагрузок, температурных воз2-действий, уровня шума, создать библиотеку компонентов измерительных цепей ГМС и расширить элементную базу ЧЭ.
В соответствии с рис. 4.7, на структуре присутствует опорное напряжение (ИОН), которое вместе с переменным сигналом генератора Г за счёт инвертора И обеспечивает вынужденные колебания ИМ в РД. Обработка сигналов с преобразователей перемещения РЧ, содержащих информацию о действующей угловой скорости, осуществляется следующим образом. Изменение ёмкости на датчиках перемещения РД, включенных в дифференциальную схему, преобразуется в напряжение преобразователем П и поступает на дифференциальный усилитель ДУ. Разностное напряжение с ДУ поступает на демодулятор Д, после чего — на фильтр ФНЧ.
В соответствии с рис. 4.8, изменение ёмкости преобразователей перемещений РД преобразуется в напряжение преобразователем П и поступает на дифференциальный усилитель ДУ. Разностное напряжение с ДУ поступает на демодулятор Д, после чего - на фильтр ФНЧ, откуда поступает на релейный элемент РЭ, который, в зависимости от знака напряжения, поочерёдно подаёт напряжение с ИОН на соответствующие электроды преобразователя силы. Обработка сигналов с преобразователя перемещений РЧ осуществляется, как и в первом случае.
