Разработка микромеханического датчики угловой скорости тактического класса точности

Микромеханический ДУС тактического класса точности

Мы занимается разработкой, производством, внедрением и реализацией научно-технической продукции в области инерциальной микромеханики. Основная сфера деятельности – это создание инерциальных датчиков и систем. Главной особенностью нашей продукции является то, что она занимает нишу на стыке дешёвых систем широкого потребления и высокоточных дорогих систем (на основе волоконно-оптических, лазерных и других гироскопов), формируя конкурентно привлекательный продукт с хорошим соотношением цена– качество. Среди продукции ЛМП выделяют микромеханический ДУС (датчик угловой скорости) с чувствительным элементом собственного производства. Это позволяет кастомизировать датчик под ваши потребности.

Волновые твердотельные гироскопы в микромеханическом исполнении обладают уникальным сочетанием свойств: высокая надежность и стабильность параметров в условиях воздействия внешних механических (одиночные удары до 7000g) и климатических факторов (диапазон рабочих температур -50…+125ºС). При этом микромеханические ДУС, производства ООО «ЛМП», являются датчиками тактического класса точности.

Микромеханический ДУС состоит из чувствительного элемента (резонатора) и схемы обработки сигнала.

Рисунок 1 – Микромеханический ДУС: 1 – чувствительный элемент (резонатор), 2 – схема обработки сигнала

Резонатор микромеханического ДУС представляет собой кольцевидную форму из монокристаллического кремния с упругим подвесом, размещенный в постоянном магнитной поле: кольцо подвешено к основанию при помощи восьми торсионов. Методом анодного сращивания кристалл соединен со стеклянной подложкой так, чтобы кольцо резонатора было расположено в однородном постоянном магнитном поле. Магнитное поле образует магнитная система, состоящая из кобальто-самариевого магнита, верхнего и нижнего магнитопроводов, изготовленных из магнитомягкого материала. Образовано максимально однородное магнитное поле, которое способствует повышению чувствительности, а для повышения добротности резонатора внутренний объем корпуса вакуумируется.

Ключевой операцией при изготовлении резонатора микромеханического ДУС – глубокое травление кремния, которое отличается качественным воспроизведением геометрического профиля и высокой скоростью травления. При этом достигается высокое качество поверхности (шероховатость) как боковых сторон профиля, так и его дна. Для проведения процессов травления канавок в кремнии на глубину до 100мкм и более с вертикальными стенками в ООО «ЛМП» используется «Bosch» процесс.

Рисунок 2 – Фрагменты резонатора МДУС

Принцип работы микромеханического ДУС основан на инертных свойствах стоячих упругих волн, возбуждаемых в осесимметричных оболочках. Для работы микромеханического ДУС используется вторая форма собственных колебаний. При помощи датчиков управления возбуждается первичная волна (рисунок 3, а). При вращении резонатора вследствие инертных свойств волн, возникает вторичная волна (рисунок 3, б). Результирующая волна представляет собой суперпозицию двух описанных волн, которые повернуты друг относительно друга на угол π/4.

Рисунок 3 – Формы колебаний резонатора: а) первая; б) вторая

Инерциальная информация определяется по измерениям колебаний резонатора. В режиме вынужденных колебаний вычисляется угловая скорость гироскопа относительно инерциального пространства, то есть гироскоп функционирует в режиме датчика угловой скорости. Радиальное смещение элемента резонатора определяется формулой: w(j,t) = p(t) cos(2j) + q(t)sin(2j) . Математическая модель резонатора микромеханического ДУС имеет вид:

Ω – проекция угловой скорости вращения основания кольцевого резонатора на нормаль к плоскости резонатора, В – напряженность магнитного поля в области расположения кольцевого резонатора, Е1, Е2 – ЭДС в контуре первичных и вторичных колебаний, i₁, i₂ – ток в контуре первичных и вторичных колебаний, R – радиус кольцевого резонатора, S – площадь поперечного сечения кольцевого резонатора, ρ – плотность материала кольцевого резонатора, E – модуль Юнга материала кольцевого резонатора, Q – добротность кольцевого резонатора.

Для управления колебаниями резонатора и обработки его выходного сигнала нами разработана схема.

Рисунок 4 – Схема управлениями колебаниями резонатора и обработки его выходного сигнала

Первичный контур служит для возбуждения колебаний в резонаторе микромеханического ДУС. Этот контур включает в себя предварительный усилитель, генератор с фазовой автоподстройкой частоты, цепь стабилизации амплитуды первичных колебаний (АРУ) и «силовой» усилитель. Генератор с фазовой автоподстройкой частоты (рисунок 5) состоит из синхронного демодулятора (фазового детектора) и генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Рисунок 5 – Генератор с фазовой автоподстройкой частоты

Эта цепь образует контур отрицательной обратной связи и позволяет автоматически настраивать частоту ГУН на резонансную частоту ЧЭ. Это достигается за счет поддержания разности фаз между выходом предварительного усилителя первичных колебаний и выходом «силового усилителя, равной 90º, что является условием резонанса ЧЭ.

Цепь АРУ образует контур отрицательной обратной связи и позволяет автоматически стабилизировать амплитуду первичных колебаний на заданном уровне (UA). Синхронизация осуществляется от генератора с ФАПЧ.

Рисунок 6 – Контур стабилизации первичных колебаний

Контур компенсации служит для подавления вторичных колебаний в резонаторе, вызванных действием ускорения Кориолиса. При этом амплитуда напряжения, необходимая для подавления вторичных колебаний пропорциональна угловой скорости вращения микромеханического ДУС. Контур компенсации состоит из двух цепей: подавления синфазной и квадратурной составляющих вторичных колебаний. Цепь подавления синфазной составляющей вторичных колебаний необходима для компенсации сигнала, вызванного наличием погрешностей изготовления резонатора.

Рисунок 7 – Цепь подавления синфазной составляющей вторичных колебаний

Выход интегратора используется в качестве выходного сигнала микромеханического ДУС. Функциональная модель микромеханического ДУС имеет вид:

Здесь U – выходное напряжение микромеханического ДУС, K – масштабный коэффициент, W – проекция угловой скорости вращения микромеханического ДУС на измерительную ось, U₀ – смещение нуля, W – случайная составляющая выходного сигнала (шум).

Случайная составляющая выходного сигнала рассматривается как комбинация низкочастотного дрейфа смещения нуля 𝜎 _bias (шум вида “1/f”), «белого шума» 𝜎 _ARW . Масштабный коэффициент и смещение нуля зависят от температуры окружающей среды. Для компенсации температурных погрешностей микромеханического ДУС в схеме предусмотрен датчик температуры.

Для определения параметров микромеханического ДУС собран стенд на базе одноосного поворотного стола и камеры тепла-холода.

Рисунок 8 – Стенд для определения параметров микромеханического ДУС

Были проведены лабораторные исследования микромеханического ДУС, входящего в состав геодезического инерциального модуля производства ЛМП.

Диаграмма Аллана показана на рисунке ниже. Нестабильность смещения нуля в запуске составила 𝜎 _bias =0,15º/ч, случайный шум 𝜎 _ARW =0,035º/Öч.

Рисунок 9 – Диаграмма Аллана микромеханического ДУС

Дрейф выходного сигнала микромеханического ДУС за 4 часа показан ниже. Сигнал был обработан с помощью ФНЧ с частотой среза 1Гц. Видно, что дрейф вызван в основном изменением температуры окружающей среды за время эксперимента.

Рисунок 10 – Дрейф выходного сигнала микромеханического ДУС

Результаты испытания микромеханического ДУС при изменении температуры окружающей среды показаны на рисунке ниже.

Рисунок 11 –  Дрейф выходного сигнала микромеханического ДУС при изменении температуры окружающей среды

После компенсации температурной погрешности микромеханического ДУС с использованием встроенного датчика температуры, дрейф выходного сигнала не превышает ±5º/ч.

Рисунок 12 –  Дрейф выходного сигнала после компенсации

Результаты испытаний разработанного микромеханического ДУС и сравнение с аналогами сведены в сравнительную таблицу.

ВЫВОД: Полученный микромеханический ДУС по характеристикам сопоставим с аналогами и может успешно использоваться в геодезии, в составе инерциальных модулей, состоящих из блока акселерометров, блока гироскопов и позволяющих определить направление на север и углов отклонения от вектора силы тяжести Земли g

Над статьей работали: Тимошенков Алексей, Анчутин Степан, Кочурина Елена, Мусаткин Александр, Виноградов Анатолий, Каменский Александр, Михеев Андрей и Соломкина Надежда