Перспективные разработки в области создания приборов и датчиков кинематических параметров
Одним из современных направлений в области разработок датчиков кинематических параметров является создание микромеханических гироскопов (ММГ). Эта область традиционно считалась малоперспективной для задач управления движущимися объектами и навигации и серьезно не рассматривалась в научных и инженерных кругах [9]. Но в последнее время ситуация резко изменилась, и в печати одно за другим стали появляться сообщения о новом классе гироскопических чувствительных элементов, получивших название микромеханических. Это одноосные гироскопы вибрационного типа, изготавливаемые на базе современных кремниевых технологий. ММГ представляет собой своеобразный электронный чип с кварцевой подложкой площадью в несколько квадратных миллиметров, на которую методом фотолитографии наносится плоский вибратор.
Точность полученных к настоящему времени ММГ находится на невысоком уровне, но ожидается, что ее можно будет повысить на порядок. Тем не менее, несмотря на меньшую в сравнении с прочими гироскопами точность, микромеханические гироскопы обладают целым рядом уникальных достоинств, что делает их незаменимыми для многих применений.
Прежде всего – это малые габариты и масса, во много раз меньшие, чем у любого другого гироскопа. Датчики угловой скорости типа ADXRS150 и ADXRS300 фирмы Analog Devices выпускаются в миниатюрных корпусах размером 7×7×3 мм, вес такого прибора не превышает 0,5 г. Рекордно низкие массогабаритные показатели чувствительных элементов, обеспечиваемые микромеханической технологией MEMS, сочетаются с интеграцией всех необходимых электронных схем обработки сигнала в одной микросхеме
Важнейший для портативных автономных устройств параметр – это энергопотребление. Гироскопы ADXRS150 и ADXRS300 потребляют ток величиной 5 мА при номинальном напряжении питания 5 В. Этот параметр у ММГ сильно отличается в меньшую сторону по сравнению с прочими гироскопами [8].
Низкая стоимость датчиков угловой скорости (не превышающая десятков долларов) также ставит их в обособленное положение среди других гироскопов.
Кроме того, гироскопы отличаются высокой надежностью. В данных приборах для повышения надежности (впервые в коммерчески доступных гироскопах данного класса) предусмотрена встроенная система полного механического и электронного автотестирования, которая функционирует без необходимости отключения датчиков. Патентованные решения, которые воплощены в технологии MEMS, обеспечивают экстраординарную устойчивость датчиков к ударам и вибрации. Например, гироскопы ADXRS выдают стабильный выходной сигнал в присутствии механических шумовых колебаний с величиной ускорения до 2000 g в широком диапазоне частот.
Достигнутые характеристики постоянно повышаются благодаря совершенствованию технологии MEMS. Таким образом, сочетание уникальных показателей сразу по многим параметрам позволяет данным приборам служить средством как для улучшения характеристик и возможностей имеющихся разработок, так и для воплощения новых, беспрецедентных конструкторских идей [8].
На сегодняшний день патенты на различные технические решения в области разработок микромеханических чувствительных элементов БИНС получены рядом ведущих зарубежных фирм [17]. Среди них фирмы США:
· ведущие аэрокосмические и электронные корпорации (Hughes Electronics Corporation, Boeing North American, Rockwell International Corporation, Northrop Grumman Corporation, Litton Systems, Motorola, Analog Devices);
· фирмы, специализирующиеся на навигационном и микромеханическом направлениях (Microsensors, Magellan Dis, Irvine Sensors, Milli Sensor Systems and Actuators, AlliedSignal, SatCon Technology, Kearfott Guidance & Navigation, Integrated Micro Instruments);
· университетские лаборатории (CalTech, University of California) или их представляющие подразделения и сотрудники.
В Японии:
· ведущие электронные и промышленные корпорации (Akai Electric. Fujitsu, NEC, Denso, Nippon Soken, Toyota, Sumitomo Electric Industries, Matsushita Electric Industrial);
· фирмы, специализирующиеся на навигационном и микромеханическом направлениях (Murata Manufacturing, Tokimec, NGK Insulators).
В Великобритании: ведущие аэрокосмические и электронные корпорации (British Aerospace, Smiths Industries, Smiths Industries).
Среди производителей Южной Кореи: ведущая электронная корпорация Samsung Electronics и государственный институт Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Среди предприятий Германии: ведущие электронные и промышленные корпорации -Robert Bosch, Siemens. Фирмы Франции представлены корпорацией SAGEM.
С определенным отставанием разработки осуществляются и в России. Начиная с 2001 г. в России были открыты свыше 100 НИОКР в области исследований и разработке MEMS.
Разработки БИНС в России проводятся Раменским проектно-конструкторским бюро (РПКБ), НИИ прикладной механики (НИИПМ) им. акад. В.И. Кузнецова, Московским институтом электроавтоматики (МИЭА), АО "Гранит-16", ЦНИИ "Электроприбор", НИИ "Полюс", НИИ "Астрофизика", Пермской научно производственной приборостроительной компанией (ПНППК), ЗАО "ГИРООПТИКА".[10].
В ЗАО "ГИРООПТИКА" разработаны датчики угловых скоростей на базе чувствительных элементов роторного и поступательного типов (рис.9).
Принцип действия чувствительного элемента угловой скорости основан на измерении параметров колебаний, вызываемых кориолисовыми силами инерции. Одной из основных особенностей элементов является использование при их производстве материалов и технологий современной твердотельной электроники.
Положительная особенность состоит в миниатюризации чувствительного элемента, обеспечивающей уникальное снижение массогабаритных характеристик. Миниатюризация чувствительных элементов приводит к тому, что вследствие малой массы и размеров вибрирующие конструктивные элементы имеют высокую частоту собственных колебаний (единицы и десятки килогерц). При этом амплитуды колебаний весьма малы и могут составлять несколько микрометров. Для того, чтобы обеспечить достаточную точность преобразования в конструкциях осцилляторов используются материалы с малыми внутренними потерями и обеспечивается резонансная настройка осцилляторов.
| ||||
Рис. 9 Конструктивные схемы микромеханических чувствительных элементов угловой скорости
Микромеханический гироскоп поступательного типа изготовлен в виде капсулы. Размещение токоподводов 4 внутри платы 1 позволяет укоротить выводы от чувствительного элемента 2 и тем самым уменьшить паразитные емкости, что в конечном итоге позволяет повысить точность и надежность микромеханического гироскопа. Крышка 3 выполняет также функцию ограничителя перемещений инерционной массы 2 при вибрациях и ударах [10].
|
Данный прибор представляет собой доступный гироскоп, имеющий встроенную схему автотестирования с цифровым управлением, которая работает при активном датчике. В составе микросхемы присутствует датчик температуры для осуществления калибровки устройства и компенсации погрешности, вызванной изменением температуры, также на кристалле имеется источник опорного напряжения [8].
Фирма BRITISH ATROSPACE System and Equipment рекламирует образец кремниевого вибрационного гироскопа VSG, который совмещен с электроникой управления и заключен в System and Equipment щшъ герметичный корпус. Гироскоп обеспечивает измерение угловой скорости относительно одной оси и возможно его серийное производство при наличии заказа в двух версиях: для динамических измерений и для навигационных систем (рис.12).
Рис. 12 Варианты изготовления гироскопа:
а — динамическая версия; б — навигационная версия
Общий вид демонстрационной модели гироскопа показан на рис. 13.
Рис. 13 Общий вид гироскопа VSG
Из проведения обзора современных разработок в области измерителей кинематических параметров можно увидеть, что сегодня многие фирмы, как зарубежные, так и отечественные, занимаются созданием датчиков угловой скорости.