Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Одним из важнейших направлений развития микросистемной техники является разработка микромеханических датчиков и систем на их основе (МЭМС). Использование при создании этих устройств материа-ловедческой и технологической базы современной твердотельной микроэлектроники позволяет обеспечить малые габариты и вес, высокую надежность и низкую стоимость микромеханических датчиков.
Приборы, выполненные по МЭМС-технологии, имеют встроенные элементы управления и обработки информации, малое потребление энергии, большую устойчивость к внешним воздействиям. При производстве инерциальных микромеханических датчиков применяют монокристаллический и поликристаллический кремний, плавленый кварц, различные стекла, пьезокристаллы и.т.д. Одним из наиболее перспективных материалов для изготовления чувствительных элементов микромеханических датчиков является монокристаллический кремний. Благодаря этому возможна более глубокая интеграция электронных и механических элементов и их совместимость с широко применяемой микроэлектронной технологией.
Достигнутый в микромеханических инерциальных датчиках уровень тактико-технических характеристик открыл пути внедрения последних в те области техники, где ранее (по экономическим соображениям и техническим параметрам) их применение было неприемлемо. Микромеханические датчики угловой скорости (ДУС) и акселерометры на основе МЭМС начинают применяться в интегрированных системах ориентации и навигации объектов различного назначения, замещая и дополняя более точные и дорогие приборы, например волоконно-оптические гироскопы. Чаще всего это происходит с целью минимизировать массу и габариты, или удешевить инерциальную систему ориентации или навигации. Однако рабочий диапазон и некоторые параметры таких датчиков не в полной мере удовлетворяют потребностям современной техники, поэтому тема диссертационной работы является актуальной, своевременной и очень востребованной.
Основной целью диссертационной работы является разработка методов расширения рабочего диапазона и улучшения характеристик микромеханических датчиков угловой скорости.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Исследован процесс управления колебаниями кольцевого резонатора и вьщеления полезного сигнала угловой скорости; установлено, что диапазон измерения обратно пропорционален амплитуде основного колебательного контура.
Предложена математическая модель выходного сигнала преобразователя угловой скорости, учитывающая действия ускорений и случайных составляющих.
Разработаны новые методики измерения основных параметров датчиков угловой скорости, позволяющие за один цикл испытаний в автоматическом режиме определить статическую характеристику, долговременный дрейф, частотный диапазон и стабильность ДУС от включения к включению. Для вычисления случайных составляющих выходного сигнала и разделения их по типам (белый шум, тренд, нестабильность) использован метод вариации Аллана.
Исследована зависимость выходного сигнала ДУС от ускорений, действующих вдоль и перпендикулярно измерительной оси. Установлено, что зависимость имеет линейный вид.
Практическая значимость работы:
Предложен новый метод настройки электронной схемы обработки сигнала микромеханического резонатора, обеспечивающий возможность регулировки диапазона измерения в пределах двух порядков, а также полосы пропускания ДУС в пределах одного порядка. Метод заключается во взаимной регулировке амплитуды колебаний основного колебательного контура и глубины обратной связи контура подавления вторичных (перекрёстных) колебаний.
Созданы комплекты конструкторской и технологической документации (с присвоением литеры «О») на преобразователи угловой скорости серии ММГК, позволившие изготовить линейку датчиков с различными диапазонами измерения, высокой чувствительностью и заданным частотным диапазоном (0..75 Гц).
Разработаны и изготовлены стенды с соответствующим аппаратным и программно-алгоритмическим обеспечением, позволяющие в автоматизированном режиме проводить испытания и производить измерения основных параметров датчиков угловой скорости;
Разработаны и изготовлены ДУС с расширенным рабочим диапазоном, до ±10 000 градусов в секунду с нелинейностью масштабного коэффициента менее 0.3 %.
Результаты диссертационной работы востребованы и используются в совместной работе МИЭТ и ФГУП «КБМ» г. Коломна по созданию датчика крена, а также в работах с ОАО МНПК «АВИОНИКА» г. Москва, что подтверждается актом внедрения.
Разработанные методики, теоретические положения, экспериментальные образцы ДУС, и результаты их исследований использованы в учебном процессе МИЭТ в читаемом на факультете ЭТМО курсе «Испытание микросистем», при подготовке дипломных проектов по специальности 210202 65 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств», а также при разработке учебно-методического комплекса «Контроль и испытание микросистем», «Прикладная математика в обработке эксперимента».
На защиту выносится:
Математическая модель выходного сигнала датчика угловой скорости, учитывающая влияние ускорения и случайные составляющие выходного сигнала.
Разработанные методики испытаний, аппаратное и программно-алгоритмическое обеспечение стендов, которые позволяют автоматизировать процесс проведения испытаний и исследовать основные параметры преобразователей линейных ускорений.
Метод настройки схемы управления кольцевого резонатора ДУС, позволяющий за счёт регулировки амплитуды колебаний первичного колебательного контура и глубины обратной связи контура подавления варьировать масштабный коэффициент в пределах двух порядков, сохраняя приемлемые шумовые характеристики.
Новые конструкции ДУС, обладающие расширенным диапазоном измерения (до 10000 7с) и полосой пропускания (до 100 Гц.)
Апробация работы
Основные положения и результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:
Научная школа и конференция «Первые Московские чтения по проблемам прочности материалов», ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, 2009г.
Международная конференция «Кремний 2009», г. Новосибирск, ННЦ.
17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2010», Москва, МИЭТ.
18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2011», Москва, МИЭТ.
2-я международная конференция SPACE WORLD в рамках международного аэрокосмического форума, Франкфурт на Майне 2011г.
Личный вклад автора заключается в участии в постановке целей и задач исследования, разработке алгоритмов и ПО проведения испытаний ДУС, создании и отладки схемы возбуждения и обработки сигнала. Автором предложено и обосновано несколько новых сфер применения ДУС. Обсуждение и анализ полученных теоретических и экспериментальных результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные выводы по проведенной работе сформулированы автором.
Публикации
По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 9 работ, включая статьи в периодических изданиях, среди них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Результаты работы использовались при выполнении 2-х НИР и 2 ОКР (в том числе по договору №13X25.31.0098/2557 от 22.10.11г.).
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений. Материал диссертации изложен на 152 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков и 19 таблиц. Список литературы состоит из 103 наименований.
