Влияние вибраций и ударов на МЭМС ДУСы различных конструкций

Часть 1. Теоретическое описание

Принцип работы МЭМС-датчиков угловой скорости

Фундаментально принцип работы любого одноосного микромеханического ДУС состоит в следующем: если чувствительная масса (рис. 1) совершает колебания вдоль оси Х и одновременно с этим вращается вокруг оси Z, возникают вынужденные колебания вдоль оси Y (вызванные силой Кориолиса), которые можно отследить и использовать для определения величины и направления угловой скорости вокруг оси Z. Колебания вдоль оси Х будут называться первичными, вдоль оси Y – вторичными, а ось Z – осью чувствительности.

Первичные колебания генерируются на собственной частоте чувствительной массы. Это делается для того, чтобы получить максимально возможную амплитуду колебаний (эффект резонанса). В этом случае амплитуда генерируемых колебаний вдоль оси Х, а значит и вторичных вдоль оси Y, которые нас интересуют, возрастает по сравнению с амплитудами на меньших или бо́льших частотах в тысячи раз (рис. 2). Именно это и позволяет определить величину и направление угловой скорости по амплитуде колебаний вдоль оси Y.

Механические колебания могут преобразовываться в электрический сигнал различными способами. Чаще всего используется ёмкостной принцип преобразования, когда на чувствительной подвижной массе расположена одна обкладка конденсатора, а на неподвижной части – вторая обкладка (рис. 3).

При движении чувствительной массы происходит изменение ёмкости этого конденсатора, что в свою очередь формирует выходной электрический сигнал. Поскольку любая электрическая схема имеет внутренние электрические шумы, при малой угловой скорости (а значит малом изменении ёмкости) полезный сигнал может быть незаметен на фоне этих шумов.

Соответственно, для повышения чувствительности датчика необходимо обеспечить как можно бо́льшую амплитуду колебаний чувствительной массы.

Логично, что если сообщить чувствительной массе бо́льшее усилие для возбуждения её резонансных колебаний, то амплитуда этих колебаний вырастет, что в свою очередь повысит чувствительность датчика к слабым полезным сигналам на фоне шумов электрической схемы. Иными словами, датчик будет иметь бо́льшее соотношение сигнал-шум. Но повысить это соотношение можно не только увеличением силы, возбуждающей колебания.

Отношение амплитуды резонансных колебаний к амплитуде смещения массы при воздействии статической силы той же величины называют добротностью и обозначают Q. Это величина безразмерная и у микромеханических ДУС её значение обычно составляет от 10² до 10⁵ в зависимости от конструкции (рис. 4). Чем больше добротность, тем больше будет соотношение сигнал-шум и при прочих равных выше точность датчика.

Обратная связь

Специфика областей применения предъявляет к параметрам датчиков различные требования. В высокодинамичных объектах, где за тысячные доли секунды угловая скорость может измениться на сотни °/с, необходима максимально быстрая (в идеале мгновенная) реакция датчика на внешние изменения. Иными словами, датчик должен иметь широкую полосу пропускания, то есть выдавать корректные показания при очень быстрых изменениях угловой скорости. Инерция же чувствительной массы не позволяет датчику мгновенно «воспринять» изменение воздействия.

Также проблема возникает, когда на датчик действует угловая скорость очень большой величины. Здесь слишком большая амплитуда вторичных колебаний может исказить выходной сигнал. Максимальная величина угловой скорости, при которой этого искажения не происходит, определяет его диапазон измерения.

И в обоих этих случаях на первый план выходит такое понятие, как обратная связь.

Обратная связь подразумевает наличие дополнительной электрической схемы, которая может регулировать амплитуду вторичных колебаний, ограничивая перемещение чувствительной массы.

Датчики, в которых такой схемы нет, называются датчиками прямого преобразования (рис. 5).

Рисунок 5
Схема работы ДУС прямого преобразования

Такие датчики могут иметь очень большое соотношение сигнал-шум, но очень маленькую полосу пропускания и небольшой диапазон измерения.

Для датчика прямого преобразования большое соотношение сигнал-шум может быть обеспечено либо большим усилием привода, возбуждающего резонансные колебания, либо малой жёсткостью подвеса чувствительной массы.

В первом случае реализация такого датчика сопряжена с технологическими сложностями. При «мягком» же подвесе чувствительной массы ударные или вибрационные воздействия даже небольшой амплитуды могут привести к тому, что чувствительный элемент получит повреждения при ударе подвижной массы о неподвижную часть подвеса.

Использование датчиков прямого преобразования имеет смысл, главным образом там, где минимальны внешние механические воздействия и температурные изменения, но при этом важна высокая чувствительность датчика. Однако в большинстве задач всё же используется контур обратной связи (рис. 6).

Рисунок 6
Схема работы ДУС с обратной связью

Наличие обратной связи подразумевает, что при получении сигнала с цепи считывания вторичных колебаний, система управления будет пытаться уменьшить амплитуду этих колебаний. Обратная связь уменьшает механические смещения, расширяя диапазон измерения и полосу пропускания датчика. Кроме того, уменьшается нелинейность передаточной характеристики, а также повышается механическая устойчивость во включённом состоянии. Однако в жертву всем этим плюсам приносится уменьшение соотношения сигнал-шум. Кроме того, датчики с обратной связью являются более сложными в производстве.

Итак, как же влияют на ту или иную конструкцию механические воздействия.

Наиболее распространённые конструкции микромеханических ДУС и их стойкость к механическим воздействиям

Типовой ЧЭ ДУС имеет конструкцию, представленную на рис.7. Здесь чувствительная масса, которой сообщаются линейные резонансные колебания, сосредоточена в едином массиве материала и подвешена на нескольких упругих элементах (системах балок, выполняющих функцию пружин).

Рассмотрим работу простейшего микромеханического ДУС.

В изображённом датчике используется так называемый электростатический привод. В этом приводе первичные колебания чувствительной массы вдоль оси Х возбуждаются с помощью подачи переменного напряжения на неподвижные боковые электроды. Частота этого напряжения равна собственной частоте чувствительной массы f_собств.

При вращении вокруг оси Y возникают вторичные колебания вдоль оси Z, которые могут быть зафиксированы по изменению электрической ёмкости между плавающим электродом и неподвижными центральными электродами. Такие датчики называют датчиками LL-типа. Аббревиатура означает “linear-linear”, то есть и первичные, и вторичные колебания являются линейными. Такая конструкция проста и не слишком требовательна к точности изготовления чувствительного элемента.

Однако у неё есть существенный минус. Если при отсутствии вращения вдоль оси Z на датчик будет действовать внешняя вибрация на частоте, равной собственной частоте ЧЭ f_собств, то в резонанс войдёт уже ось Z и на выходе датчика будет видна картина, аналогичная той, что была бы при вращении с большой угловой скоростью. Более того, такую же опасность представляют и частоты, кратные собственной (f_собств/2, f_собств/4, f_собств/8).

Таким образом, датчик с сосредоточенной массой, совершающей линейные колебания, будет крайне уязвим к внешним вибрациям. Уменьшить такую уязвимость можно, например, повысив жёсткость подвеса (а значит и резонансную частоту). Но это, во-первых, не решает проблему полностью, лишь сдвигая губительные частоты в область менее вероятных, а во-вторых, как было сказано ранее, уменьшает соотношение сигнал-шум, а значит и точность.

Альтернативным вариантом является реализация чувствительного элемента таким образом, чтобы резонансные колебания были вращательными (рис. 8). На изображённой схеме первичными являются вращательные колебания вокруг оси Z, а при вращении датчика вокруг оси Y возникают вторичные колебания вокруг оси Х. Такая конструкция называется датчиком RR-типа (“rotate-rotate” по характеру первичных и вторичных колебаний).

Рисунок 8
Схема ДУС с вращательными колебаниями чувствительной массы

Датчики с вращательными колебаниями в меньшей степени подвержены влиянию внешних линейных вибраций на сигнал ДУС. Это позволяет посредством уменьшения жёсткости конструкции спроектировать чувствительный элемент с меньшей резонансной частотой, а значит обеспечить бо́льшую амплитуду колебаний и как следствие бо́льшую точность измерений без изменения усилия, развиваемого приводом.

Однако и здесь не обходится без недостатков. Во-первых, меньшая жёсткость конструкции делает такие датчики менее прочными. Во-вторых, здесь также имеется, хоть и менее явная, проблема искажения сигнала механическими воздействиями. Дело в том, что переменные угловые ускорения будут искажать сигнал датчика таким же образом, как линейные вибрации искажают сигнал датчиков LL-типа. Ещё одним недостатком этого типа ДУС являются более высокие требования к точности изготовления ЧЭ, поскольку необходимо исключить линейные составляющие в движении чувствительной массы.

Видно, что каждый из типов имеет свои минусы, накладывающие ограничения на области их использования. Применение двух важных конструктивных решений позволяет в значительной степени решить почти все вышеперечисленные проблемы:

Первое — это разделение массы. Если изготовить чувствительный элемент из двух идентичных чувствительных масс и заставить их работать в противофазе, влияние вибраций на эти массы будет иметь противоположный знак и, соответственно, может быть распознано и устранено.

Второе — это сохранение упругой связи между массами. Микромеханические структуры технологически невозможно изготовить полностью идентичными, а значит они будут иметь немного разные резонансные частоты. Если эти массы будут механически полностью изолированными друг от друга и работать на разных частотах, то в полной мере использовать преимущество разделения массы и работы в противофазе не удастся. А значит, между ними необходима упругая связь, которая сблизит их резонансные частоты.

Если применить оба этих решения, мы получим камертонный ЧЭ – один из самых распространённых вариантов конструкции микромеханических ДУС (рис. 9). Важным свойством такого чувствительного элемента является то, что первичные колебания относительно центра масс такой системы будут линейными, а вторичные вращательными. Поэтому их можно называть также датчиками LR-типа.

Такие датчики были разработаны специально для минимизации влияния вибраций на выходной сигнал ДУС при сохранении прочности и высокого соотношения сигнал-шум.

Рассмотрим работу камертонного ДУС, конструкция которого была предложена DraperLaboratory (рис. 9, б). Масса 1 совершает колебания вдоль оси Х на резонансной частоте f_собств. Одновременно с ней такие же колебания совершает масса 2, однако фаза этих колебаний полностью противоположна массе 1. Когда на датчик воздействует вращение вокруг оси Y, обе массы начинают колебаться вдоль оси Z, однако фазы этих колебаний для массы 1 и массы 2 будут также противоположны. При вычитании сигналов с масс 1 и 2 будет получено значение, соответствующее ненулевой угловой скорости.

Если же вдоль оси Z будет воздействовать внешняя вибрация, из-за которой возникнут колебания масс 1 и 2, то эти колебания будут синфазны и при вычитании сигналов мы получим 0.

Естественно, при изготовлении реального образца массы 1 и 2 будут немного различаться даже после технологической балансировки и вибрации также будут влиять на сигнал, однако это влияние будет значительно меньше, чем в случае датчиков с сосредоточенной массой.

Можно изготовить чувствительный элемент, состоящий и из четырёх масс, где фазы вынужденных колебаний на каждой из них сдвинуты на 90°. Естественно, что схема управления при усложнении конструкции чувствительного элемента (рис. 10) будет также усложняться. Кроме того, с увеличением числа масс становится сложнее обеспечить им идентичные параметры из-за погрешности изготовления.

Предельным случаем распределения массы чувствительного элемента в плоскости будет кольцевой резонатор (рис. 11).

В таком ДУС при возбуждении резонансных колебаний кольцо совершает периодические сжатия-растяжения вдоль осей Х и Y. При отсутствии вращения четыре точки в углах рисунка (узлы колебаний) остаются неподвижными. При вращении вокруг оси Z картина колебаний кольца поворачивается на угол, пропорциональный величине угловой скорости, и в узлах также возбуждаются колебания, по амплитуде которых и можно оценить скорость вращения.

Именно такая конфигурация чувствительной массы является наиболее защищённой от вибраций и ударов, но при этом сложность производства таких датчиков делает их наиболее дорогими.

Показательной особенностью является факт, что даже кольцевые ДУС, не имеющие обратной связи, могут применяться в достаточно жёстких условиях, где перегрузки могут достигать десятков g, а ударные воздействия иметь амплитуду в несколько сотен g.

Классификации микромеханических ДУС

Исходя из рассмотренного выше можно привести три классификации микромеханических ДУС.

По наличию обратной связи датчики могут быть:
■ прямого преобразования;
■ с обратной связью;

По характеру колебаний чувствительной массы:
■ LL-типа (linear-linear), где первичные и вторичные колебания чувствительной массы являются линейными.
■ RR-типа (rotate-rotate) датчики, где первичные и вторичные колебания чувствительной массы являются вращательными.
■ LR-типа (linear-rotate) датчики, где первичные колебания чувствительной массы являются линейными, а вторичные – вращательными.

По распределению чувствительной массы:
■ с сосредоточенной массой (рис. 12, а)
■ с распределённой массой (камертонные (рис. 12, б), многомассовые (рис. 12, в) и кольцевые (рис. 12, г))

Важно оговориться, что в реальных датчиках LL-типа с сосредоточенной массой чаще всего используются пары чувствительных масс, работающих в противофазе, а отличие их от камертонных заключается в отсутствии упругой связи между этими массами.

Оптимальные области применения ДУС различных типов

Подводя итог изложенному материалу, можно определить оптимальные области применения датчиков.

Датчики с сосредоточенной массой (LL- и RR-типа) с высокой добротностью и без обратной связи крайне редки и могут применяться в условиях, близких к лабораторным, где нет значительных вибраций, ударов и перепадов температур. Они могут выступать, например, высокочувствительными датчиками движения, значительно более чувствительными, чем акселерометры.

Прочие датчики с сосредоточенной массой составляют большинство производимых бюджетных микромеханических ДУС невысокого уровня точности, находя применение в основном в потребительской электронике, от смартфонов до роботов-пылесосов. Однако в последние годы совершенствование технологий изготовления МЭМС-структур позволило довести их уровень точности до приемлемого в миниатюрных инерциально-спутниковых навигационных системах (ИСНС). Впрочем, уязвимость этих датчиков к вибрациям и ускорениям сохраняется, что важно учитывать при использовании ИСНС с такими датчиками в условиях, где возможны перегрузки, вибрации и удары.

Камертонные и многомассовые ДУС заняли нишу более дорогих датчиков повышенной точности. Именно на них строится большинство ИСНС на основе МЭМС. Наиболее точные изделия могут применяться в составе гирокомпасов. Устойчивость же их к вибрациям и ударам зависит от равномерности параметров чувствительных масс и «жёсткости» используемой обратной связи. Датчики с относительно «слабой» обратной связью имеют высокое соотношение сигнал-шум, высокую точность измерений, но наиболее чувствительны к вибрациям и ударам. Датчики с «жёсткой» обратной связью имеют меньшую (хотя всё равно достаточно высокую по меркам МЭМС) точность, но способны работать в условиях более жёстких механических воздействий. При использовании же в навигации камертонных датчиков с достаточной для гирокомпасирования точностью (с нестабильностью смещения нулевого сигнала ~0.1°/ч) рекомендуется использовать внешнее демпфирование для смягчения механических воздействий.

Некоторые многомассовые ДУС имеют узкую специфику применения. Ярким примером таких датчиков являются ДУС для высокомобильных применений с полосой пропускания >1кГц и устойчивостью к ударам >10000g. Чтобы получить такие характеристики, необходимо изготовить чувствительный элемент с очень высокой добротностью, а затем с помощью обратной связи расширить его полосу пропускания до требуемого диапазона, при этом сохранив приемлемое соотношение сигнал-шум.

Кольцевые ДУС без обратной связи напротив имеют достаточно небольшое значение добротности (10² – 10³), поэтому обладают довольно средними показателями точности, однако отсутствие обратной связи сильно упрощает производство таких датчиков, а кольцевой чувствительный элемент делает их достаточно стойкими к механическим воздействиям. Минусами их являются большие значения нелинейности передаточной характеристики и изменения нулевого сигнала в диапазоне рабочих температур. Эти параметры требуют обязательной калибровки в составе инерциального модуля. Такие ДУС имеют достаточно широкий спектр применения, включая системы управления беспилотного транспорта и мобильных роботов, летательные аппараты малой авиации, а также системы стабилизации и наведения объектов (например, камер или спутниковых антенн) на подвижных носителях.

Кольцевые ДУС с обратной связью являются наиболее дорогими в производстве микромеханическими датчиками. Для их изготовления требуется обеспечить равномерность механических параметров кольцевого резонатора, большое значение добротности и большое развиваемое усилие привода накачки. Всё это сложные задачи, которые требуется решить для обеспечения высокого соотношения сигнал-шум при работе с контуром обратной связи. Поскольку производство таких датчиков включает множество операций, которые сложно автоматизировать, кольцевые ДУС с обратной связью проектируют сразу с расчётом не на максимальную массовость выпуска, а на высокую точность, достаточную для, например, уже упомянутого гирокомпасирования и при этом на работоспособность в жёстких условиях авиационных применений.

Источник

1. Евстифеев М.И. Методы проектирования конструкций микромеханических гироскопов. Учебное пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2018. – 182 с.