Динамика многокомпонентного микромеханического гироскопа-акселерометра с развязывающими рамками Барбин Евгений Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор микромеханических многокомпонентных гироскопов 13

1.1 Классификация микромеханических гироскопов 13

1.2 Классификация дестабилизирующих воздействий в микрогироскопах и микроакселерометрах

1.2.1 Технологические дефекты 15

1.2.2 Температурные возмущающие воздействия 16

1.2.3 Механические воздействия 19

1.3 Обзор конструктивных методов уменьшения влияния дестабилизирующих воздействий 21

1.3.1 Многокомпонентные микросистемы 21

1.3.2 Гироскопы камертонного типа 28

1.3.3 Гироскопы с развязывающими рамками 32

1.3.4 Гироскопы с широкой полосой пропускания 35

Выводы по главе 1 38

2 Разработка упругих подвесов микромеханических сенсоров 41

2.1 Упругие элементы подвесов 41

2.1.1 Исследование жёсткостей упругих элементов 41

2.1.2 Влияние температурных полей на собственные частоты упругих элементов 55

2.2 Конструкционные способы уменьшения влияния температурных возмущающих воздействий на рабочие характеристики микромеханических сенсоров 57

2.2.1 Верификация конечно-элементной модели 58

2.2.2 Упругий подвес, чувствительный по осям X и Y 63

2.2.3 Упругие подвесы, чувствительные по оси Z 68

2.3 Тестовые структуры упругих подвесов 73

2.3.1 Технология изготовления стеклянного основания 73

2.3.2 Технология изготовления кремниевого сенсора 79

2.3.3 Соединение тестовых структур с основанием 89

2.4 Экспериментальные исследования температурной чувствительности упругих подвесов 92

Выводы по главе 2 96

3 Принцип работы и математическая модель микромеханического гироскопа-акселерометра с развязывающими рамками 99

3.1 Функциональная схема 99

3.2 Математическая модель

3.2.1 Полная математическая модель 103

3.2.2 Упрощение математической модели 110

3.2.3 Собственные частоты гироскопа-акселерометра 115

3.3 Модальный и статический конечно-элементный анализ 119

3.3.1 Модальный анализ 119

3.3.2 Статический анализ 121

3.4 Электродные структуры многокомпонентного сенсора 124

Выводы по главе 3 131

4 Чувствительность многокомпонентного гироскопа акселерометра к температурным воздействиям и технологическим погрешностям 132

4.1 Влияние температуры на механические характеристики гироскопа 132

4.2 Влияние температуры на электрические характеристики сенсора 136

4.2.1 Температурные изменения ёмкостей 136

4.2.2 Температурный шум микроэлектромеханических интегрированных

4.3 Влияние технологических дефектов на характеристики интегрированных многокомпонентных микрогироскопов 141

4.3.1 Методика анализа технологических дефектов 141

4.3.2 Влияние на механические параметры сенсора 144

4.3.3 Влияния на электрические параметры 148

4.4 Схемотехнические способы компенсации влияния температурных и технологических возмущающих воздействий на рабочие характеристики интегрированных многокомпонентных микрогироскопов 151

Выводы по главе 4 160

5 Математическое моделирование гироскопа акселерометра 162

5.1 Методика системного поведенческого моделирования 162

5.2 Моделирование режима температурной настройки частот сенсора гироскопа 165

5.2.1 Канал первичных колебаний 165

5.2.2 Канал вторичных колебаний 168

5.3 Моделирование динамических характеристик 174

Выводы по главе 5 180

Заключение 182

Список сокращений и условных обозначений 184

Список литературы

• Классификация дестабилизирующих воздействий в микрогироскопах и микроакселерометрах
• Конструкционные способы уменьшения влияния температурных возмущающих воздействий на рабочие характеристики микромеханических сенсоров
• Упрощение математической модели
• Температурный шум микроэлектромеханических интегрированных

Введение к работе

Актуальность работы. Перспективы современного приборостроения связаны с разработкой инерциальных датчиков, обладающих малыми массой, габаритами, низкими себестоимостью, энергопотреблением и достаточно высокой надёжностью. Этим характеристикам соответствуют микроэлектромеханические системы (МЭМС). Основные преимущества МЭМС определили области применения, в которых они к настоящему времени получили наиболее широкое распространение: автомобильная электроника, мобильные телефоны и миниатюрные бытовые устройства, ноутбуки, телекоммуникационные устройства, а также военная, медицинская, научная и другая специализированная техника. Микроэлектромеханические устройства представляют собой системы, в которых на поверхности или в объёме твёрдого тела интегрированы электрические и микромеханические структуры. Возникающие погрешности МЭМС обусловлены рядом причин областей механики, электроники, технологии, материаловедения.

Микромеханические гироскопы обычно работают либо в резонансном режиме, то есть при равенстве частот первичных и вторичных колебаний, или близко к резонансу, поэтому реакция системы очень чувствительна к изменению параметров в условиях эксплуатации при действии различных дестабилизирующих факторов: температуры, ускорений, вибрации, ударов и пр. Колебания температуры изменяют электромеханические свойства микрогироскопов. Технологические возможности процессов изготовления МЭМС ещё недостаточны по сравнению с требованиями для производства высокоэффективных инерциальных датчиков. Это вызывает недостатки в механической конструкции и ограничивает стабильность и надёжность МЭМС. Несовершенства изготовления также вносят перекрёстную связь между осями первичных и сенсорных колебаний, которая может быть даже больше, чем сигнал от силы Кориолиса.

В современных условиях, когда решены основные вопросы принципов построения, конструирования и технологии изготовления микромеханических датчиков, инерциальных модулей и бесплатформенных инерциальных навигационных систем на их основе, на первый план выступает проблема повышения точности преобразователей и создание приборов навигационного класса точности.

Целью диссертационной работы является выработка научно-

обоснованных решений по проектированию многокомпонентных микромеханических гироскопов, позволяющих снизить влияние дестабилизирующих факторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Провести аналитический и сопоставительный обзор существующих

многокомпонентных микрогироскопов и методов уменьшения влияния дестабилизирующих факторов.

1. Разработать упругие подвесы, позволяющие инерционному телу двигаться вне плоскости сенсора при планарной технологии изготовления и исследовать их температурную чувствительность, разработать способы уменьшения влияния температуры на частотные характеристики микросистем.

2. Провести экспериментальные исследования технологии изготовления упругих подвесов и многокомпонентного гироскопа-акселерометра.

3. Провести экспериментальные исследования температурной чувствительности упругих подвесов.

4. Разработать функциональную, конструктивно-кинематическую схему многокомпонентного гироскопа-акселерометра, позволяющего рассчитывать векторы угловой скорости и линейного ускорения.

5. Разработать математическую модель многокомпонентного гироскопа-акселерометра, устанавливающую связь конструктивно-технологических параметров гироскопа с его режимами работы и учитывающую влияние дестабилизирующих факторов.

6. Разработать конечно-элементные модели многокомпонентного гироскопа-акселерометра с развязывающими рамками. На основе этих моделей провести численные исследования характеристик первичного преобразователя гироскопа-акселерометра и оценить влияние температурных и технологических возмущающих воздействий на выходные характеристики гироскопа-акселерометра. Выработать рекомендации по выбору его конструктивных параметров.

Методы исследования

При решении поставленных задач использовались методы теоретической механики, теории колебаний, теории упругости и сопротивления материалов, компьютерного моделирования, методы конечно-элементного анализа и экспериментальные методы исследований.

Объект исследования – упругие подвесы микросистем и многокомпонентный гироскоп-акселерометр.

Предмет исследования – повышение устойчивости микроэлектромеханического гироскопа-акселерометра к возмущающим воздействиям.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработаны упругие подвесы, обеспечивающие перемещение массы вне плоскости сенсора при планарной технологии изготовления микросистемы и температурном изменении собственной частоты менее 0,3%.

2. Предложен принцип работы многокомпонентного гироскопа-акселерометра с применением развязывающих рамок между осями первичных и вторичных колебаний и размещаемого на одном кристалле, позволяющий измерять векторы угловой скорости и линейного ускорения.

3. Разработана математическая модель многокомпонентного гироскопа-акселерометра, учитывающая действия дестабилизирующих факторов и позволяющая рассчитывать векторы угловой скорости и линейного ускорения.

4) Разработаны конечно-элементные модели, позволяющие определять

основные характеристики многокомпонентного гироскопа-акселерометра и оценивать погрешности, обусловленные температурными и технологическими возмущающими воздействиями.

Практическая значимость работы

4. Разработанные упругие подвесы, позволяют создавать многокомпонентные микросистемы с линейным перемещением масс вне плоскости сенсора.

5. Разработанный многокомпонентный гироскоп-акселерометр позволяет:

– Определять угловые скорости по трём осям; – Линейные ускорения по трём осям;

– Исключить влияние линейного ускорения на измерение угловой скорости;

– Уменьшить влияние температурных и технологических воздействий; – Уменьшить квадратурные погрешности.

3. Предложенные модели и проведённые исследования могут служить методической базой для проектирования многокомпонентных микросистем.

4. Разработанные модели и методы исследования МЭМС использованы в учебном процессе при обучении студентов по направлению 12.04.01 -Приборостроение, профиль магистратуры «Системы ориентации, стабилизации и навигации».

5. Результаты, полученные в диссертации, использованы в ходе выполнения проектов по федеральной целевой программе и грантов:

– «Разработка микромеханического инерциального датчика повышенной точности и информативности для систем ориентации и навигации транспортных средств" в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы». ГК от 19 апреля 2011 г. №16.513.11.3056.

– «Разработка методов высокоуровневого проектирования многокомпонентных микросистем» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Шифр заявки «2012-1.5-14-000-2016-006» Соглашение о предоставлении субсидии от 14 ноября 2012 г. №

– «Разработка методов проектирования многокомпонентных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы». Соглашение о предоставлении субсидии от 11 августа 2014 г. №

– «Разработка мультисенсорной микромеханической системы измерения ускорений и угловых скоростей объекта» по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предпринимательства в научно-технической сфере. Конкурс код договора

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новые упругие подвесы, позволяющие перемещаться массе вне плоскости сенсора и температурном изменении собственной частоты менее 0,3 % в диапазоне температур от минус 50 С до +110 С.

2. Многокомпонентный гироскоп-акселерометр с развязывающими рамками между осями первичных и вторичных колебаний и размещаемый на одном кристалле, позволяющий измерять векторы угловой скорости и линейного ускорения.

3. Математическая модель многокомпонентного гироскопа-акселерометра, учитывающая действия дестабилизирующих факторов и позволяющая рассчитывать векторы угловой скорости и линейного ускорения.

4. Конечно-элементные модели многокомпонентного гироскопа-акселерометра, позволяющие определять основные характеристики и оценивать погрешности, обусловленные температурными и технологическими возмущающими воздействиями.

Апробация результатов исследования

Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных и отечественных научно-технических конференциях, выставках:

5. 14^th IMECO TC10 Workshop on Technical Diagnostics 2016: New Perspectives in Measurements, Tools and Techniques for Systems Reliability, Maintainability and Safety; Milan; Italy; 27 June 2016 through 28 June 2016.

6. III Форум молодых учёных U-NOVUS 2016, г. Томск, Россия, 2-13 мая 2016

7. XXI Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (СТТ-2015), г. Томск, Россия, 5-9 октября 2015 г.

8. V Всероссийский фестиваль науки NAUKA 0+, Красноярск, Россия, 2-4 октября 2015.

9. XXI IMEKO World Congress «Measurement in Research and Industry», Czech Republic, Prague, 30 August - 4 September 2015.

10. III Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция по инновациям в неразрушающем контроле «SibTest», Россия, Горный Алтай, 27–31 июля 2015 г.

11. XXII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, МКИНС-2015, Россия, Санкт-Петербург, 25-27 мая 2015 г.

12. Ежегодная открытая выставка научных достижений молодых учёных «РОСТ.UP» – 2015, Россия, Томск, 13-14 ноября 2014 г.

13. XX Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, МКИНС-2013, Россия, Санкт-Петербург, 27-29 мая 2013 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ в том числе: 4 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ, 1 патент на изобретение; 8 из них - в материалах научно–технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений, списка используемой литературы из 150 наименований и шести приложений. Основное содержание диссертации изложено на 188 страницах и включает 179 рисунков и 23 таблицы.

Классификация дестабилизирующих воздействий в микрогироскопах и микроакселерометрах

С одной стороны данная тенденция обусловлена тем, что потребительский рынок сдвигается в сторону использования многокомпонентных систем, где требуется измерять множество параметров. Это связано с развитием беспилотной техники и систем безопасности, где IMU являются основополагающим устройством. В Российской Федерации существует федеральный программа мер по развитию новых рынков «Национальная технологическая инициатива», в которой прогнозируется в течение 10-15 лет достичь количества беспилотной техники воздушного, морского и наземного базирования более 300 тыс. шт. в каждой из областей [57]. С другой стороны, многокомпонентные микросистемы, объединённые в одном чипе имеют меньшую массу и габариты, что соответственно требует меньших затрат на производство и удешевляет готовое изделие.

Российские разработки Согласно мировому тренду уменьшение массы и габаритов изделия возможно за счёт применения систем на чипе, когда электроника и механическая часть располагаются в одном корпусе. Состояние производства микромеханических гироскопов и акселерометров на отечественном рынке идёт с отставанием от уровня мирового рынка. В настоящее время, несмотря на задержку, образцы отечественных сенсоров постепенно выходят на мировой уровень. Множество компаний работает по типу фаундри, когда производством комплектующих занимаются зарубежные центры по производству МЭМС, сборка может производиться как на территории России, так и комплексно в тех же центрах.

ЦНИИ «Электроприбор» (г. Санкт-Петербург) совместно с французской фирмой Tronics Microsystems разработал однокомпонентный гироскоп на основе чувствительного элемента RR-типа и однокомпонентный акселерометр (рисунок 1.2). Микромодули состоят из чувствительного элемента и специализированной интегральной схемы в керамическом корпусе [58, 59]. а) гироскоп ММГ-ЭП1 б) акселерометр ММА-ЭП1 Рисунок 1.2 – Микромеханические сенсоры ЦНИИ «Электроприбор» НИУ «МИЭТ» (г. Зеленоград) является одним из лидеров по количеству реализованных разработок и имеющий свою технологическую базу для изготовления и испытания инерциальных МЭМС. Датчик измерения угловых скоростей на гибко-жёсткой печатной плате (рисунок 1.3а) имеет диапазон измерения до 10000 /с, высокую разрешающую способность (до 0.1% от диапазона измерения), нелинейность не более 0,1% и случайный дрейф нулевого сигнала до 40/ч.

Трёхосевой акселерометр (рисунок 1.3б), рассчитанный на разные диапазоны от 0,2 до 100g, имеет высокую разрешающую способность (до 0.1% от диапазона измерения), малую спектральную плотность мощности шума до 510-3 и нелинейность до 0,5% [60]. а) одноосевой гироскоп б) трёхосевой акселерометр Рисунок 1.3 – Инерциальные датчики НИУ «МИЭТ» Физико-Технологический Институт РАН (г. Москва) разработал для ОАО «РПКБ» (г. Раменское) гироскоп и акселерометр (рисунок 1.4). Гироскоп ДМГ-1 (рисунок 1.4а) имеет диапазон измерения до 100/с, нелинейность и погрешность масштабного коэффициента 1% и 3% соответственно. Акселерометр А-101(рисунок 1.4б) измеряет ускорения до 12g и точность установки нулевого сигнала 50мg [61]. а) гироскоп ДМГ-1 б) акселерометр А-101 Рисунок 1.4 - Инерциальные датчики ОАО «РПКБ» Множество серийно выпускаемых акселерометров выпускает ПАО АНПП «ТЕМП-АВИА» (г. Арзамас) и ООО «Совтест АТЕ» (г. Курск). Акселерометр АТ1104 (рисунок 1.5а) измеряет ускорение до 10g, имеет нелинейность не более 0.1 % и крутизну выходной характеристики по току 1 мА/g [62]. Двухосевой акселерометр (рисунок 1.5б) имеет несколько диапазонов измерения от 2g до 15g, нелинейность до 1% и разрешение менее 95 мкg при изменяемом ускорении частотой 10 Гц и диапазоне 15g [63].

В своём большинстве в России выпускаются акселерометры с разным количеством осей чувствительности, микромеханических гироскопов на порядок меньше. Среди разработчиков однокомпонентных гироскопов следует также отметить АО «НИИФИ» (г. Пенза), Лабораторию Микроприборов (г. Зеленоград), ОАО «ЗИТЦ» (г. Зеленоград, ОАО «Гирооптика» (г. Санкт-Петербург). Среди ВУЗов, научные исследования по тематике инерциальных МЭМС ведутся в Институте нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ (г. Таганрог) [64], СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (г. Санкт-Петербург), Государственном университете аэрокосмического приборостроения (г. Санкт-Петербург), СФУ (г. Красноярск), НИУ «ИТМО» (г. Санкт-Петербург), Нижегородском государственном техническом университете (г. Арзамас), Тульском государственном университет, Пензенском государственный университет, НИУ «МИЭТ», Пермском государственном техническом университете, НИУ «МЭИ» (г. Москва) и др.

Для решения задач, где требуется измерять более двух параметров, российские разработчики используют датчики в отдельных корпусах и объединяют их в общий модуль, который может решать задачи определения вектора угловой скорости, линейного ускорения, либо совместно с программным обеспечением определять ориентацию и положение объекта в пространстве. Примерами могут служить Курсовертикаль ММКВ-СНС, разработки НИУ «МИЭТ», построенная на базе шести однокомпонентных датчиках угловой скорости и ускорений и магнитометра [60] и микромеханическая бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС-ММ разработки ОАО «РПКБ» (рисунок 1.6) [61]. Многокомпонентные системы, построенные на принципе модульности также имеют Лаборатория микроприборов, ЦНИИ «Электроприбор, ОАО «Гирооптика». Однако системы, построенные на базе различных датчиков в разных корпусах, имеют серьёзные недостатки. Первый - это сложность точного ортогонального позиционирования чипов относительно друг друга, что соответственно ухудшает точностные характеристики и усложняет технологический процесс сборки. Второй – увеличенные масса и габариты в сравнении с системой на чипе. Оба недостатка ведут к увеличению стоимости изделия. Для развития в этом направлении сказывается как недостаточный объем российского рынка, так и малое количество реализованных разработок многокомпонентных систем, в которых механические части всех сенсоров располагаются в одной плоскости.

Конструкционные способы уменьшения влияния температурных возмущающих воздействий на рабочие характеристики микромеханических сенсоров

В многокомпонентных микросистемах возникает необходимость применения упругих подвесов, обеспечивающих перемещение массы вне плоскости сенсора по оси Z (Z-подвес). Данная задача особенно актуальна для трёхстепенных акселерометров и вибрационных гироскопов LL-типа. На основании поставленной задачи были разработаны упругие подвесы, обеспечивающие перемещение инерционной массы вне плоскости сенсора вдоль оси Z.

Исходя из результатов анализа жёсткостей упругих элементов, полученных в подразделе 2.1.1, для построения упругого подвеса был использован УЭ 3 (рисунок 2.4), имеющий наименьшую жёсткость в направлении оси Z. Высота чувствительной массы сенсора и упругих элементов совпадают. Для удобства сравнивания полученных результатов, в подвесах используются одинаковые размеры инерционных масс и упругие элементы с одинаковыми геометрическими параметрами. Исследуемые упругие подвесы представлены на рисунке 2.38. Собственные формы колебаний упругих подвесов приведены на рисунке 2.39. а) Z1-подвес б) Z2-подвес в) Z3-подвес Рисунок 2.38 – Упругие подвесы, чувствительные по оси Z f=3656 Гц f=3739 Гц f=2661 Гц а) Z1-подвес б) Z2-подвес в) Z3-подвес Рисунок 2.39 – Собственные формы колебаний упругих подвесов Исследуется температурная чувствительность упругого Z1-подвеса. На рисунке 2.40 представлены зависимости напряжения и собственной частоты от температуры. Деформация конструкции и напряжения Z1-подвеса при различных температурах показаны на рисунке 2.41. а) напряжения б) собственная частота Рисунок 2.40 – Зависимости напряжения и собственной частоты Z1-подвеса от температуры Места закреплений упругих элементов Z1-подвеса располагаются внутри анкеров напротив друг друга. При деформации материала вследствие воздействия температуры УЭ испытывают внутренние напряжения. В отличие от прямых, данные упругие элементы, выполненные в форме меандра деформируются гораздо легче, что значительно уменьшает внутренние напряжения, а следовательно, и изменения собственных частот. Относительные изменения собственных частот не превышают 1,7% при отрицательных температурах и 1% при положительных температурах. Максимальные напряжения составляют 38 МПа в месте соединения УЭ с анкером (рисунок 2.41).

Рисунок 2.41 – Деформация и напряжения упругого Z1-подвеса Однако, расположением упругих элементов на чувствительной массе можно добиться ещё более лучших результатов. На рисунке 2.38б приведён Z2-подвес, концы УЭ и закрепление за анкеры направлены внутрь массы.

При переносе упругих элементов относительные изменения собственной частоты составили не более 1,1%, зависимость несёт линейный характер (рисунок 2.42). При таком расположении УЭ и температурах ниже 150С в УЭ возникают напряжения растяжения. Деформированный подвес создаёт максимальные внутренние напряжения в упругих элементах равные 2,6 МПа (рисунок 2.43). Как и в предыдущем упругом подвесе, концентрация этих напряжения наблюдается у основания соединения УП с анкером.

Деформация и напряжения упругого Z2-подвеса Однако недостатком данного упругого подвеса является его большие габаритные размеры. В многокомпонентных сенсорных системах применение такого типа подвеса возможно лишь, когда внешняя рамка совершает колебания вдоль оси Z.

Третьим типом упругого подвеса, который лишён этого недостатка, но при этом сохраняет преимущества по температурным характеристикам последнего, является Z3-подвес, представленный на рисунке 2.38в. Максимальные напряжения составляют 2,4 МПа в месте соединения УП с анкерами. Относительные изменения собственных частот составляют не более 1%, что аналогично с применением Z2-подвеса (рисунок 2.44). Упругие элементы в данном подвесе располагаются друг за другом по замкнутому кругу. Вследствие чего, при расширении чувствительной массы подвес деформируется, поворачивая массу на некоторый угол (рисунок 2.45).

Деформация и напряжения упругого гЗ-подвеса Как видно из результатов с применением УЭ3, выполненного в виде меандра, внутренние напряжения во всех типах упругих подвесов достаточно низки, что вызывает небольшие относительные изменения собственных частот. Следует также заметить, что Z1 и Z2-подвесы имеют большие габариты в сравнении с Z3-подвесом, что ограничивает их применение в качестве внутренних рамок. При одних и тех же параметрах упругих подвесов, Z3-подвес является наиболее оптимальным по габаритным параметрам и температурной чувствительности при построении сенсоров, в которых требуется перемещение чувствительной массы вне плоскости сенсора.

Сравнивая значения относительных изменений собственных частот от температуры можно сделать вывод, что значения Z2- и Z3-подвеса аналогичны. В диапазоне относительных изменений собственной частоты от температуры до 1% основной вклад вносят изменения модуля Юнга и линейные изменения размеров упругих элементов.

Базовой технологией при разработке и исследовании упругих подвесов и микрогироскопа является технология глубокого анизотропного ионного травления кремния. В данном подразделе описывается технология изготовления тестовых структур. Изготовление тестовых структур

Сенсор, изготовленный по технологии «кремний на стекле» происходило по технологии «кремний на стекле» (рисунок 2.46). Кремниевый сенсор 3 установлен на стеклянное основание 1, вывод электрических контактов осуществляется через металлические электроды 2, напылённые на стекло. В результате использования возможностей оборудования лаборатории Танака Шуджи в университете Тохоку (Tanaka Shuji Lab, Tohoku university), г. Сендай, Япония, были изготовлены тестовые структуры [110].

На первом этапе изготавливается основание, в качестве материала используется боросиликатное стекло Tempax glass размерами 20x20x0,5 мм, являющийся японским аналогом Borofloat 33 [111]. Поскольку на протравленное стекло необходимо напылить электроды из токопроводящего материала и одновременно обеспечить контакт между нижней плоскостью электродов (плоскость основания) и электродов, напылённых на анкеры (плоскость анкеров), возникает задача обеспечения этого электрического контакта. На рисунке 2.47 представлены три варианта получения анкеров. При вертикальности стенок (вариант 1), очевидно, что контакт не будет обеспечен. Недостаточный уклон (вариант 2) также не обеспечит электрического контакта между поверхностями. Необходимо подобрать такой угол наклона, при котором напыление проводящего материала будет равномерно распределено по поверхности всего стекла и будет обеспечена электрическая связь между плоскостями, располагающимися на разной высоте.

Упрощение математической модели

Изменение собственной частоты для зависимости, рассчитанной КЭ методом в процентом соотношении составило не более 0,15% в диапазоне выше 80С. При отрицательных температурах изменение частоты составляет не более 0,04%, где напряжения возникающие в УЭ подвеса частично компенсируют изменение собственной частоты от изменения модуля Юнга и кривая зависимости собственной частоты не выходит в зону положительных относительных изменений. Однако экспериментальные данные трёх образцов показали разброс параметров, наиболее близким к расчётной модели оказался образец №1. Разброс объясняется технологическими несовершенствами экспериментально полученной геометрии в сравнении с расчётной моделью. В тех случаях, когда напряжения возникающие в УЭ оказались больше расчётных, характеристика при отрицательных температурах стремиться на уменьшение собственной частоты, как в случае с образцом №2. При меньших напряжениях в УЭ подвеса компенсации недостаточно и характеристика стремится к более линейно и близкой к изменениям собственной частоты от модуля Юнга.

Для Z2 и Z3-подвесов экспериментальные зависимости изменения собственной частоты имеют немногим меньшее значение в сравнении с расчётными (рисунок 2.76, 2.77). Что можно объяснить как технологическими несовершенствами, так и различными свойствами материалов расчётной модели и реальной конструкции.

Ошибка по собственной частоте, измеренной при комнатной температуре между расчётной моделью и экспериментальным образцом составила не более 0,4% для Z2-подвеса и 0,5% для Z3-подвеса. Из полученных данных можно сделать вывод, что теоретический расчёт КЭ методом соответствует экспериментальным данным, полученным в ходе экспериментов. В первом приближении экспериментальные характеристики имеют линейный характер для Z2 и Z3 подвесов и нелинейный для Z1-подвеса. Отличие собственных частот, определённых опытным путём и полученных в результате КЭА составило не более 1% для всех типов подвесов. Зависимости температурного изменения собственных частот, определённых опытным путём, отличаются до 30 % от полученных в КЭА. Выводы по главе 2 В результате разработки и исследования упругих элементов и подвесов микромеханических систем было выполнено следующее:

Разработаны упругие элементы и проведены исследования жёсткостей подвесов по трём осям и их чувствительность к температурным изменениям среды. При проектировании упругих подвесов микросистем необходимо учитывать их перекрёстные жёсткости для уменьшения квадратурных погрешностей. При этом, чем меньше перекрёстная чувствительность упругого подвеса, тем больше изменяется собственная частота подвеса вследствие действия температурных полей.

Разработаны упругие элементы сложной формы в виде меандра, которые обладают меньшими температурными ошибками в сравнении с традиционными типами упругих элементов. На основе рассмотренных упругих элементов разработаны упругие подвесы и исследована их чувствительность к температуре. Основной вклад в изменение собственной частоты от температуры вносят внутренние напряжения, возникающие вследствие деформации соединённых материалов с разными ТКЛР. Исследованы конструкционные способы уменьшения температурной чувствительности собственных частот упругих подвесов. Путём применения менее чувствительных к температуре упругих элементов, расположением упругих элементов в подвесе или введением упругих компенсаторов возможно уменьшение изменения собственных частот. Разработаны упругие подвесы, при применении которых обеспечивается перемещение массы вне плоскости сенсора при планарной форме конструкции сенсора.

При использовании технологии «кремний на стекле», где зависимости ТКЛР кремния и стекла от температуры пересекаются в точке +150С и температура соединения лежит выше указанной точки, упругий подвес необходимо строить таким образом, чтобы при охлаждении до комнатной температуры возникали напряжения растяжения. Далее при нагреве выше +150С будут возникать напряжения сжатия, для минимизации которых необходимо применять упругие компенсаторы или упругие элементы с наименьшей чувствительностью к изменениям температуры. Таким образом, использование упругих компенсаторов позволяет расширить температурный диапазон применения сенсора.

Разработана технология изготовления тестовых структур упругих подвесов на основе технологии «кремний-на-стекле». Показаны сравнительные результаты травления кремния при использовании различных масок и фоторезистов. Приведены результаты экспериментов при соединении кремния со стеклом.

Экспериментальные данные зависимости собственной частоты от температуры показали, что лучшую повторяемость результатов имеют Z2 и Z3-подвесы. Относительные изменения собственной частоты в диапазоне от минус 50С до +110С составляют не более 0,3%. Исследования Z1-подвеса показали, что изменения собственной частоты от изменения характеристик материала, частично компенсируются возникающими внутренними напряжениями. Рассчитанные МКЭ изменения собственной частоты от температуры составили не более 0,15%, однако на практике разброс полученных характеристик для разных образцов показал изменение до 0,3%.

Температурный шум микроэлектромеханических интегрированных

Необходимо оценить влияние температуры на собственные частоты микрогироскопа по каждой из его осей, чтобы определить необходимость автоподстройки частот первичных и вторичных колебаний, а так же рассмотреть, как повлияют изменения собственных частот на выходные сигналы сенсора. Методика анализа соответствует методике, описанной в разделе 2.2. Анализ производился для ДГА, учитывающий температурную деформацию всего сенсора и промежуточный слой золота, служащий для соединения кремниевого сенсора со стеклянным основанием.

Сравнение изменения собственной частоты от температуры производится для двух одинаковых конструкций гироскопа, отличающихся типами упругих элементов подвесов (УЭП), используемых по осям X и Y.

В первом варианте конструкции (на рисунке 4.1 обозначено чёрной рамкой), в УП 2 (рисунок 3.7) по оси Y используется УЭ 6 (рисунок 2.4) и в УП 5 (рисунок 3.7) по оси Х используется УЭ2 (рисунок 3.7). Во втором варианте (на рисунке 4.1 обозначено красной рамкой) по оси Y добавлены упругие элементы в середине сенсора и введены дополнительные термокомпенсаторы. В УП 5 (рисунок 3.7) упругие элементы заменены на УЭ 6 (рисунок 2.4).

Результаты показали, что изменение собственных частот по оси Z имеет наименьшее значение. Наибольшее значение более 500 Гц во всем температурном диапазоне соответствует каналу по оси Y для первого варианта конструкции. Наклон характеристики канала по оси Х для первого варианта конструкции отличается от наклона канала по оси Z. Поскольку при температурной настройке собственных частот при первом варианте конструкции ДГА невозможно обеспечить их полное соответствие, данный тип ДГА далее рассматриваться не будет.

Погрешности, вызванные температурой, минимизированы изменением конструкции упругого подвеса. Изменение собственных частот ДГА от температуры для второго (конечного) варианта конструкции (рисунок 4.2б) для всех осей чувствительности приблизительно одинаковы и определяются выражениями

Канал по оси Y имеет отличающийся наклон температурной характеристики ввиду частичной компенсации внутренними напряжениями изменения частоты от изменения характеристик материалов. На рисунке 4.3 представлена температурная деформация второго варианта конструкции ДГА при температуре -50С. Максимальные напряжения в УЭП ДГА составили 54 МПа.

При различных температурах условие соответствия частот первичных и информативных колебаний изменяется, что приводит к уменьшению амплитуд сенсорного движения и к изменению механических масштабных коэффициентов сенсоров микрогироскопа (рисунок 4.4). а) изменение ММК б) относительное изменение ММК Рисунок 4.4 – Температурная зависимость ММК ДГА с УЭ 6 Как видно из графиков (рисунок 4.4), изменение масштабных коэффициентов происходит в широких пределах и носит нелинейный характер. Относительные изменения достигают 57% в диапазоне температур от -50С до

При изменении температуры также изменяются перемещения инерционных тел, соответствующие квадратурным погрешностям (рисунок 4.5). Графики (рисунок 4.5) аппроксимируются функциями Рисунок 4.5 – Зависимости перемещений сенсора от температуры, соответствующие квадратурным погрешностям Температурные зависимости 4.1-4.2 являются основой для компенсации влияния температуры.

Расширение материала под действием температуры приведёт также к изменениям ёмкостей электродных структур [133, 134]. На рисунке 4.6 приведены зависимости изменения ёмкостей C1y, С3y, C1x, C1z от температуры и перемещения чувствительной массы по оси Y.

Графики изменения ёмкостей МДГА от температуры и перемещения аппроксимируются выражениями, представленными в таблице 4.1. Так как С1y = С2y, С3y = С4y, С1x = С2x, то функции будут одинаковыми, отличающимися только знаками некоторых слагаемых.

Как видно из графиков (рисунок 4.7) погрешность, вызванная температурным расширением гребенчатых структур, обусловлена краевыми эффектами. При перемещении инерционных масс к границе диапазона перемещений кривизна характеристики при разных температурах на концах немного отличается. Изменение температуры приводит к изменению ёмкостей, в результате чего может измениться коэффициент передачи ёмкостного датчика перемещения. Уменьшение влияния температуры на ёмкостной датчик достигается применением дифференциальной схемы включения сенсорных ёмкостей и программной коррекцией ошибок.

Причиной появления шумов является колебание температуры окружающей среды. Общий уровень шумов микрогироскопа складывается из шумов микромеханического сенсора и шумов электронной части устройства. Вследствие небольшой массы сенсора существенный вклад в общий уровень шумов вносит составляющая, обусловленная его тепловыми колебаниями. Кроме того, в приборах, в которых используются проводники или полупроводники, возникает хаотичное движение носителей. Шум характеризуется спектральной плотностью (величиной, пропорциональной корню из спектральной плотности энергии шумов). Если считать механический шум сенсора равномерно распределённым от 0 Гц до частоты резонанса 0, то спектральную среднеквадратичную плотность шумов можно определить следующим образом [141].