В.Л. Будкин, канд. техн. наук, В.А. Паршин, канд.
техн. наук,
С.В. Прозоров, А.К. Саломатин, В.М. Соловьев,
канд. техн. наук,
ОАО Раменское приборостроительное конструкторское бюро (РПКБ),
г. Раменское, Московская область.
ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ СИСТЕМ НАВИГАЦИИ И ОРИЕНТАЦИИ
|
Приведены некоторые результаты работ, проводимых ОАО РПКБ в области создания кремниевых акселерометров и мультисенсорных датчиков. Представлены основные характеристики кремниевого компенсационного акселерометра и разомкнутого акселерометра с частотным выходом, а также некоторые результаты испытаний макетных образцов электростатического акселерометра и мулътисенсорного датчика. |
Компенсационный кремниевый акселерометр
Разработка кремниевого маятника акселерометра разомкнутого типа
Кремниевый акселерометр с электростатической обратной связью
Введение
В области навигации и управления на основе кремниевой микротехнологии в настоящее время разрабатываются кремниевые датчики давления, акселерометры, датчики угловой скорости и мультисенсорные датчики. Мультисенсорные датчики представляют собой такие микромеханические устройства, которые позволяют одновременно измерять несколько параметров, например, линейные ускорения и угловую скорость. Использование кремниевых микромеханических акселерометров в мультисенсорном режиме дает возможность построения широкой гаммы приборов для систем навигации и управления различными объектами.
Компенсационный кремниевый акселерометр
В ОАО РПКБ работы в области использования кремниевой микромеханики в датчиках первичной информации для навигационных систем начались с 80-х годов. В своей статье мы опирались на наш большой опыт разработки обычных механических акселерометров и гироскопов. Акселерометры на нашем предприятии всегда строились по единой схеме одноосного маятникового компенсационного акселерометра. Применялись различные виды подвеса маятников (поплавковые, "сухие", на упругом подвесе), но общая схема оставалась неизменной. Поэтому первоначально была сделана попытка применить кремний в качестве конструкционного материала для подвеса маятника акселерометра. На предприятии был только опыт работы в области технологии изготовления гибридно-пленочных электронных блоков, для чего была создана соответствующая технологическая база. В этом направлении были достигнуты значительные успехи, особенно в создании вторичных источников электропитания, генераторов напряжения, термостатированных микросборок с селективным подогревом отдельных частей топологического рисунка для различных систем инерциальной навигации. Но главное, был наработан большой технологический опыта области микрометрической технологии и фотошаблонов. Однако для изготовления кремниевых элементов акселерометров понадобилось разработать и внедрить еще ряд специальных технологий, в первую очередь – технологии сухого и влажного окисления, термодиффузии и разгонки примесей на заданную глубину в тело кремниевой пластины, глубокого контурного травления кремния и напыления электродов.
В результате проведенных работ был внедрен техпроцесс изготовления кремниевых чувствительных элементов и их упругих элементов. Эта большая подготовительная работа в освоении новых технологий привела к созданию целого ряда прецизионных кремниевых акселерометров компенсационного типа с магнитоэлектрической обратной связью для систем инерциальной навигации.
Общий вид акселерометра и конструкция кремниевого маятника одного из таких приборов представлены на рис. 1.
|
|
| Рис. 1. Кремниевый маятник компенсационного акселерометра: а – общий вид; б – конструкция |
Чувствительным элементом данного прибора является маятник диаметром 18 мм, выполненный из монокристаллического кремния, подвешенный на двух упругих перемычках, которые позволяют ему поворачиваться вокруг оси, лежащей в плоскости маятника. Маятник и перемычки изготовлены методами химического травления из одной пластины монокристаллического кремния толщиной 0,38 мм. Перемычки имеют размеры 1,3´0,12´0,0008 мм. На маятнике установлена обмотка датчика момента и напылены электроды для датчика угла. Для подвода питания к катушкам датчика момента используются гибкие токоподводы. Кроме того, для увеличения маятниковости на маятнике установлена дополнительная масса.
В качестве датчика угла в данном приборе используется датчик угла емкостного типа, который состоит из двух конденсаторов. В качестве одной общей обкладки используется маятник, а в качестве двух других - специальные электроды, напыленные на корпусе прибора. Зазор между маятником и электродами составляет 0,021 мм. Емкостной датчик угла идеально подходит для изделий кремниевой микромеханики по технологичности и порогу чувствительности, который составляет 10-11 мм [1].
|
|
| Рис. 2. Блок-схема маятникового акселерометра |
В
акселерометре используется датчик момента магнитоэлектрического типа. Кроме того,
акселерометр имеет встроенную электронику обратной связи, изготовленную на основе
гибридно-пленочной технологии. Акселерометр состоит (рис. 2) из задающего генератора
ЗГ, двух усилителей У1 и У2, двух выпрямителей В1
и В2, дифференциального усилителя ДУ, датчика момента ДМ
и эталонного сопротивления 
с которого снимается выходной сигнал
.
Испытания подтвердили высокие технические параметры акселерометров данного типа. Применение микроэлектронной технологии для изготовления маятника позволило обеспечить высокую точность и стабильность характеристик прибора. Такие акселерометры со встроенной электроникой выдерживают удары до 50 g и имеют следующие параметры:
· диапазон измеряемых ускорений ................................. ±35 g
· масштабный коэффициент ............................................ l,3 MA/g
· нестабильность масштабного коэффициента .............. 0,02%
· дрейф нулевого сигнала в течение одного часа ......... <10 mg
· дрейф нулевого сигнала за время
более одного
часа .........................................................
20 mg
· порог чувствительности ............................................... 0,5 mg
· масса акселерометра ...................................................... 38 г
Данный тип акселерометра выпускается в нескольких модификациях (А-12, А-15, А-16 и А-17) в зависимости от конкретного применения. Эти акселерометры устанавливаются в карданные и бескарданные инерциальные системы разработки ОАО РПКБ. Конструкция акселерометра защищена рядом патентов [2-5].
Разработка кремниевого маятника акселерометра разомкнутого типа
Основным недостатком описанного выше прибора является сложность конструкции чувствительного элемента. Была предпринята попытка существенно упростить конструкцию маятника акселерометра, в результате чего был разработан акселерометр разомкнутого типа с частотным выходом [6].
Общий
вид и конструкция чувствительного элемента акселерометра представлены на рис.
3, а блок-схема электроники – на рис. 4. Датчик акселерометра состоит из двух
маятников размерами 5´3,8´0,38
мм, каждый из которых подвешен на трех упругих перемычках, одна размерами 1,2´0,7´0,010
мм, а две других – размерами 0,6´0,7´0,010 мм. Номинальный зазор составляет
0,030 мм. Маятники образуют два конденсатора 
и 
с
электродами, установленными на корпусе прибора, причем обкладки конденсаторов
подсоединены таким образом, что при действии ускорения зазор в одном конденсаторе
увеличивается, а в другом - уменьшается. Каждый конденсатор включен в состав задающих
контуров генераторов 
и 
.
Соответственно частота одного генератора уменьшается, а другого увеличивается.
Сигналы от каждого генератора складываются с помощью смесителя СМ, а разностная
частота этих сигналов является выходным сигналом акселерометра. Такая схема акселерометра
позволяет исключить дополнительные детали на маятнике и значительно упростить
конструкцию чувствительного элемента прибора.
|
|
|
| Рис.
3. Акселерометр с частотным выходом: |
Рис. 4. Блок-схема разомкнутого акселерометра с частотным выходом |
Зависимость
выходного сигнала 
акселерометра
от действующего ускорения (рис. 5)
имеет нелинейный характер.
|
|
| Рис. 5. Зависимость выходного сигнала разомкнутого акселерометра от действующего ускорения |
При разработке данного типа акселерометра оказалось, что возникает целый ряд погрешностей, вызванных явлением самосинхронизации частот двух генераторов, довольно значительной зависимостью выходного сигнала акселерометра от питающего напряжения и температуры окружающей среды. Для уменьшения этих погрешностей пришлось вводить алгоритмическую компенсацию ошибок.
Акселерометр разомкнутого типа с частотным выходом АЦ-1 имеет следующие характеристики:
· диапазон измерения ............................................ ± 40 g
· крутизна характеристики ..................................... 1,5 кГц/g
· точность ................................................................ 1,5%
· время готовности ................................................. 0,2 с
· напряжение питания ........................................... 5 В
В настоящее время данный акселерометр используется в блоке датчиков ускорения системы катапультирования летчика.
Основными достоинствами этого акселерометра являются простота конструкции и, соответственно, малая стоимость. Поэтому он может найти применение для недорогих систем управления различными объектами, где не требуется высокая точность.
Кремниевый акселерометр с электростатической обратной связью
Дальнейшим развитием кремниевых акселерометров на нашем предприятии является разработка акселерометра компенсационного типа с электростатической обратной связью. Это позволяет повысить точность прибора и в то же время упростить конструкцию чувствительного элемента – маятника.
Конструкция акселерометра состоит из следующих элементов: плоского прямоугольного кремниевого маятника, подвешенного с одной стороны на упругих перемычках; напыленных на корпусе прибора электродов, которые одновременно выполняют роль электродов датчика угла; исполнительного элемента обратной связи.
|
|
| Рис. 6. Блок-схема маятникового компенсационного акселерометра с электростатической обратной связью |
На рис. 6 приведена блок-схема маятникового компенсационного
акселерометра с электростатической обратной связью. Переменное напряжение от задающего
генератора ЗГ подается в противофазе на неподвижные электроды акселерометра.
Сигнал отклонения снимается с маятника и подается на предварительный усилитель
ПУ, а затем – на демодулятор Д, корректирующий фильтр КФ
и усилитель У. Кроме того, на маятник подается постоянное смещение 
для обеспечения
работы электростатического подвеса. Выходное напряжение блока электроники поступает
на одну обкладку подвеса непосредственно, а на другую – через инвертор И.
Проведены испытания первых макетных образцов акселерометров. Маятник имеет размеры 4´4´0,38 мм, толщина упругих перемычек 10 мкм, а воздушный зазор между маятником и статорными пластинами составляет 6-10 мкм. Габаритные размеры чувствительного элемента акселерометра 9´9´2,5 мм. Акселерометр имеет следующие параметры:
· диапазон измеряемых ускорений ................................ ±10 g
· масштабный коэффициент ........................................... 1,0 B/g
· напряжение смещения ................................................. 15 В
· напряжение питания .................................................... ±15 В
· дрейф нулевого сигнала в течение одного часа ......... 10 mg
В настоящее время идет отработка технологии изготовления и разработка микросборки электроники.
Мультисенсорные датчики
Разрабатываемый электростатический акселерометр мы предполагаем использовать в качестве основного чувствительного элемента мультисенсорного датчика линейного ускорения и угловой скорости.
В настоящее время сформировалось два направления построения кремниевых датчиков угловой скорости. Первый – это создание вибрационных гироскопов. В таком приборе подвижная часть имеет две степени свободы. Создаются принудительные колебания чувствительного элемента относительно одной оси. При действии входной угловой скорости возникают колебания по второй оси, по амплитуде которых судят о входной угловой скорости. Для повышения чувствительности прибора необходимо повышать добротность подвеса. Однако при малых зазорах возникает эффект сдавливаемой пленки, который вносит очень большое демпфирование. Кроме того, необходимо повышать частоту резонансных колебаний, что возможно только при очень малых размерах чувствительного элемента. Это влечет за собой сложности реализации схем измерения выходного сигнала, так как схема измерения выходного сигнала – разомкнутого типа, со всеми вытекающими отсюда проблемами.
Второе направление – непосредственное измерение акселерометром кориолисового ускорения, возникающего при вибрации корпуса прибора в плоскости, перпендикулярной оси его чувствительности, и действии входной угловой скорости. Акселерометр при этом включен в режим обратной связи. В этом случае появляется возможность разделить чувствительный элемент и вибропривод. Потому нам представляется более перспективным второй путь построения датчиков угловой скорости. Кроме того, в выходном сигнале акселерометров присутствует информация о линейном ускорении и появляется возможность измерять одновременно два параметра: угловую скорость и линейное ускорение.
В ОАО РПКБ сейчас проводятся исследования макетных образцов мультисенсорных датчиков на основе электростатических акселерометров. В качестве вибропривода блока акселерометров использован магнитоэлектрический вибратор и пластинчатый подвес на плоских бронзовых пружинах.
Проведенные испытания первых макетов образцов мультисенсорных датчиков показали следующие результаты (в град/с):
· максимальная входная скорость ........................ 1500
· постоянная
составляющая дрейфа
по угловой скорости ............................................
10
· порог чувствительности по угловой скорости . 0,1
· случайный дрейф по угловой скорости ............ 0,1
Как показывают результаты испытаний, основная проблема в разработке мультисенсорных датчиков – это создание виброподвеса акселерометров, обеспечивающего заданные параметры вибрации по стабильности и уменьшение амплитуды вибрации по оси чувствительности акселерометров.
Результаты работ, проведенных в ОАО РПКБ, подтверждают перспективность применения кремниевой микротехнологии в датчиках для систем навигации и управления. Кремниевые акселерометры в настоящее время могут обеспечить все потребности заказчиков и даже найти новые применения, что может расширить сферу их использования. В области датчиков угловой скорости работа пока находится на начальном этапе развития. Необходимо проведение большого объема работ по отработке конструкций и технологии изготовления, а также по созданию алгоритмов обработки информации.
Список литературы
1. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин // Л.: Энергоатомиздат, 1983 г.
2. Патент № 2028000 (РФ). Компенсационный акселерометр / В.И. Баженов, И.В. Вдовенко, В.А. Рязанов, В.М. Соловьев // БИ 1995. №3.
3. Патент № 2028001 (РФ). Способ компенсации температурной погрешности крутизны характеристики акселерометра /В.И. Баженов, И.В. Вдовенко, В.А. Рязанов, В.М. Соловьев // БИ 1995. № 3.
4. Патент № 2039994 (РФ). Компенсационный акселерометр / В.И. Баженов, И.В. Вдовенко, В.А. Рязанов, В.М. Соловьев // БИ 1995. №20.
5. Патент № 2051542 (РФ). Компенсационный акселерометр / В.И. Баженов, И.В. Вдовенко, В.А. Рязанов, В.М. Соловьев // БИ 1995. №36.
6. Патент № 2083989 (РФ). Акселерометр / В.И. Баженов, А.Н. Мухин, В.А. Рязанов, В.М. Соловьев // БИ 1997. № 19.