Акселерометры Colibrys для навигационных систем
Компания Colibrys занимает уникальную позицию среди производителей МЭМС акселерометров. Компания специализируется на выпуске изделий класса “hi-end” для применения в экстремальных условиях и системах, критических по безопасности, в промышленности и приборостроении. Акселерометры Colibrys включают в себя высокостабильные инерциальные датчики, датчики наклона, а также датчики вибрации.
Конструкция акселерометров Colibrys
Конструкция акселерометров, получившая широкое распространение, представляет собой инерциальную массу, которая связывается с корпусом упругим подвесом - пружиной того или иного рода.
Именно такая конструкция реализована в акселерометрах Colibrys. Чувствительный элемент формируется из трех кремниевых пластин, образующих трехслойную вертикальную структуру. Верхняя и нижняя пластины образуют соответствующие крышки элемента, на которых сформированы неподвижные электроды конденсаторов. В средней пластине методом объемной микрообработки кремния изготавливается инерциальная масса с упругим подвесом и формируются боковые стенки элемента. На верхней и нижней поверхности инерциальной массы формируются подвижные электроды конденсаторов. Все три пластины свариваются между собой при высокой температуре и низком давлении. Таким образом, создается система из двух емкостей с подвижными электродами.
Такая трехслойная конструкция имеет большее усиление за счет большего изменения емкости при смещении массы, что достигается небольшими зазорами и большой площадью электродов конденсаторов. Кроме того, такая конструкция имеет ниже броуновское движение из-за большой массы.
Принцип действия чувствительного элемента с дифференциальной емкостью основан на механической системе с упругим подвесом инерциальной массы. При нулевом ускорении инерциальная масса находится в центральном положении между двумя параллельными кремниевыми пластинами. Под воздействием ускорения масса смещается в одну из сторон, изменяя тем самым пропорционально ускорению величины емкости верхнего и нижнего конденсаторов. Большая емкость 2×35 пФ обеспечивает достаточную величину выдаваемого сигнала в малошумящую и высокостабильную электронику для надежной обработки сигналов.
Структура чувствительного элемента изготавливается из монокристаллического кремния, имеющего очень низкое остаточное напряжение, тем самым снижается возможность изгиба структуры и влияние на параметры измерений. Структура имеет очень высокую степень симметрии для обеспечения максимально низкого смещения и максимально высокой стабильности характеристик.
Ключевое свойство обеспечения параметров датчика – газовое демпфирование МЭМС элемента, которое необходимо очень тщательно контролировать не только для того, чтобы получить управляемую полосу пропускания, но и для обеспечения низких ошибок коррекции. Эта величина представляет порядок нелинейности и в результате приводит к смещению, когда датчик подвержен синусоидальной или случайной вибрации. Демпфирование особенно критично для инерциальной навигации. Электроника, считывающая полезный сигнал с чувствительного элемента (собственная разработка Colibrys), работает по принципу самоуравновешивающегося емкостного считывания. Схема реализована на базе высокостабильной ASIC с энергопотреблением ниже 390 нА при 5 В. Электронный блок имеет сброс по включению питания и защиту от снижения напряжения для обеспечения надежного выходного сигнала в самых жестких условиях. Акселерометр содержит PIC микроконтроллер, который используется в процедурах запуска и сброса при снижении напряжения. Для обеспечения температурной компенсации в корпуса акселерометров устанавливаются датчики температуры.
Практически все датчики производства Colibrys автономны и размещаются в керамических корпусах LCC20 (кроме MS7000 – корпус ТО8), все акселерометры рассчитаны на работу в диапазоне температур от -55 до +125 °C, имеют стойкость к ударам до 6000g, при которых технические характеристики датчиков остаются в рамках спецификаций.
Для работы датчиков требуется одна питающая цепь с напряжением 2,5–5,5 В и током < 0,5мA при 5 В.
На выходе каждого акселерометра в качестве полезного сигнала - аналоговое напряжение, изменяющееся пропорционально ускорению в диапазоне от 0,5 до 4,5 В (при напряжении питания 5 В).
Заключение
Инерциальные навигационные системы позволяют автономно определять местоположение и ориентацию подвижных объектов без внешних источников информации. Применение в таких системах высокотехнологичных датчиков, выполненных по МЭМС технологиям при общем повышении надежности, обеспечивает снижение габаритов и веса бортового навигационного оборудования, уменьшение затрат на его разработку и производство, а следовательно, и стоимости таких систем. Кроме того, МЭМС датчики в ряде случаев предоставляют возможность применять оборудование в более жестких условиях эксплуатации. Это, в свою очередь, приводит к расширению спектра применений ИНС в различных приложениях, в которых до настоящего времени это было труднореализуемой задачей в силу имеющихся ограничений как по массо-габаритным показателям и рабочим характеристикам, так и по экономическим соображениям.
Инерциальные датчики производства компаний Sensonor и Colibrys являются хорошим примером воплощения МЭМС-технологий в устройствах класса hi-end, способных работать в приложениях с повышенными требованиями к характеристикам, с жесткими условиями на различных рынках, таких как энергетический, оборонный, авиакосмический, промышленный и приборостроительный.