МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УНИВЕРСИТЕТ ИТМО М.И. Евстифеев МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ РЕКОМЕНДОВАНО К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В УНИВЕРСИТЕТЕ ИТМО по направлению подготовки (специальности) 24.04.02 «Системы управления движением и навигация» в качестве учебного пособия для реализации основных профессиональных образовательных программ высшего образования магистратуры Санкт-Петербург 2018 Евстифеев М.И. Методы проектирования конструкций микромеханических гироскопов. Учебное пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2018. – 182 с. Рецензенты: Распопов В.Я., заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессор, зав.кафедрой ТулГУ Грязин Д.Г., д.т.н., проф. кафедры мехатроники НИУ ИТМО Пособие охватывает максимально широкий круг вопросов по методам проектирования, использованию различных баз знаний и экспертных систем, предназначенным для разработки конструкций микромеханических гироскопов, входящих в состав навигационных систем и комплексов подвижных объектов. Изложение построено так, чтобы было возможно изучать содержание отдельно по разделам в зависимости от интересов и круга деятельности. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 24.04.02 «Системы управления движением и навигация» в рамках дисциплины «Современные методы проектирования инерциальных чувствительных элементов информационно-навигационных систем», а также для аспирантов и научных работников, занимающихся вопросами проектирования микромеханических приборов. Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научнообразовательных центров, известной как проект «5 в 100». Цель Университета ИТМО – становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности. Университет ИТМО, 2018 Евстифеев М.И., 2018 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение............................................................................................................... 5 Список использованных сокращений ............................................................... 7 1. Основы современных методов проектирования микромеханических гироскопов ........................................................................................................... 8 1.1. Традиционные методы проектирования................................................ 8 1.2. Интеллектуальные методы проектирования ....................................... 11 1.3. Технологические особенности микромеханических гироскопов ..... 18 1.4. Принципы построения конструктивных схем..................................... 30 1.5. База знаний при проектировании ......................................................... 45 1.5.1. База компонентов ............................................................................ 46 1.5.2. База технических наук .................................................................... 51 1.5.3. База процедур .................................................................................. 52 1.5.4. База целей......................................................................................... 54 1.6. Экспертные системы в интеллектуальных САПР .............................. 56 1.7. Средства проектирования микромеханических гироскопов ............. 59 1.7.1. Процесс проектирования................................................................ 59 1.7.2. Универсальные средства проектирования.................................... 62 1.7.3. Специализированные средства проектирования ......................... 63 1.7.4. Отечественные программные средства ........................................ 67 Контрольные вопросы ...................................................................................... 75 2. Конструкции микромеханических гироскопов.......................................... 76 2.1. Создание базы знаний микромеханических гироскопов ................... 76 2.2. Этапы создания микромеханических гироскопов .............................. 78 2.2.1. Этап теоретических исследований................................................ 78 2.2.2. Этап реализации технических решений ....................................... 79 2.2.3. Этап коммерциализации продукции ............................................. 82 2.3. Области использования микромеханических гироскопов................. 82 2.4. Характеристики гироскопов ................................................................. 87 2.5. Состояние разработок и обзор конструкций....................................... 91 2.5.1. Гироскопы с поступательными движениями............................... 91 2.5.2. Гироскопы с вращательными движениями .................................. 97 2.5.3. Гироскопы с несколькими осями чувствительности................. 103 2.5.4. Многомассовые гироскопы.......................................................... 105 2.5.5. Волновые гироскопы .................................................................... 117 2.5.6. Гироскопы с бесконтактными подвесами .................................. 120 2.5.7. Твердотельные гироскопы ........................................................... 121 2.6. Общие тенденции развития микромеханических гироскопов ........ 123 Контрольные вопросы .................................................................................... 129 3. Классификации в методах проектирования ............................................. 130 3.1. Общие положения ................................................................................ 130 3.2. Классификация конструкций гироскопов ......................................... 131 3 3.2.1. Схема измерителя ......................................................................... 132 3.2.2. Свойства инерционного тела ....................................................... 133 3.2.3. Тип подвеса инерционного тела .................................................. 135 3.2.4. Вид исполнительных и индикаторных устройств ..................... 136 3.2.5. Системы повышения точности .................................................... 138 3.2.6. Формула гироскопа....................................................................... 139 3.3. Классификация методов повышения механической стойкости...... 139 3.3.1. Структурно-конструктивные методы повышения стойкости .. 141 3.3.2. Алгоритмические методы повышения стойкости ..................... 151 3.4. Метод морфологического анализа ..................................................... 153 Контрольные вопросы .................................................................................... 156 Литература ....................................................................................................... 157 Англо-русский словарь терминов по тематике микромеханических гироскопов ....................................................................................................... 167 История кафедры информационно-навигационных систем....................... 176 4 ВВЕДЕНИЕ Один только перечень книг, прочитанных нами с этой целью, составил бы целую главу, что, пожалуй, было бы очень поучительно, но вряд ли занимательно для наших читателей. А. Дюма. «Три мушкетера». Микромеханические гироскопы (ММГ) являются основными компонентами современных информационно-навигационных систем. Именно от точности и стабильности параметров ММГ зависит точность и надежность систем навигации и управления движением. Проектирование ММГ представляет собой особо сложный, наукоемкий процесс, требующий использования всего запаса имеющихся знаний в различных областях естествознания. Современные условия использования ММГ предъявляют к разработке таких приборов расширенные требования, которые включают в себя снижение массогабаритных и стоимостных параметров при одновременном повышении точностных и эксплуатационных характеристик. В виду большой конкуренции при выходе на рынок, немаловажным фактором является срок разработки новых ММГ. Все это обуславливает появление новых методов проектирования, использующих интеллектуальную составляющую в дополнение к традиционным системам автоматизированного проектирования. Современные методы проектирования подразумевают использование обширной базы знаний для поиска и формирования направлений разработки и экспертных систем для верификации выбранных направлений исследований. Применение таких методов позволяет в максимально сжатые сроки и с высокой эффективностью создавать новые перспективные ММГ. После 1995 г. в отечественной литературе были сформулированы основные направления использования ММГ в качестве навигационных датчиков и появились первые публикации, касающиеся теоретических вопросов создания приборов. Широкий спектр исследований, проводимых с конца 90-х годов по настоящее время, направлен на решение следующих основных проблем: выбор принципов построения конструктивных схем гироскопа; составление математических моделей и структурных схем; исследование динамических характеристик и выбор методов их идентификации, включая метрологические аспекты испытаний; определение методов подавления квадратурных и других видов помех; измерение сверхмалых емкостей; исследование нелинейностей и методов их уменьшения; построение и реализация технологических процессов изготовления; разработка инерциальных блоков на основе ММГ. 5 Большой вклад в теорию и создание ММГ в России внесли Л.П. Несенюк, Л.А. Северов, А.М. Лестев, Д.П. Лукьянов, С.Г. Кучерков, В.М. Ачильдиев, А.П. Мезенцев. Теории ММГ и обобщению опыта их разработки посвящены монографии В.Э. Джашитова и В.М. Панкратова, А.С. Неаполитанского и Б.В. Хромова. Особо следует отметить книги В.Я. Распопова, в которых приведено систематизированное изложение основ проектирования микромеханических приборов и выбора их динамических характеристик. Теоретические работы в этом направлении ведутся такими организациями, как ОАО Раменское ПКБ, НИИ ПМ им. акад. В.И. Кузнецова, ЗАО «Гирооптика», ЦНИИ «Электроприбор» и в университетах и институтах Москвы, Санкт-Петербурга, Тулы, Саратова и других городов России. Благодаря усилиям отечественных ученых разрыв в теоретической разработке ММГ был существенно сокращен и ключевым моментом стал вопрос реализации теоретических достижений на практике. Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 24.04.02 «Системы управления движением и навигация» в рамках дисциплины «Современные методы проектирования инерциальных чувствительных элементов информационно-навигационных систем», а также для аспирантов и научных работников, занимающихся вопросами проектирования микромеханических приборов. В учебном пособии особое внимание уделено проектированию механических конструкций ММГ, что на взгляд автора недостаточно освещено в учебной литературе и может быть полезно при изучении выбранной области исследования. В пособии излагаются основы методов проектирования ММГ, общие принципы построения конструкций, построение баз знаний и экспертных систем. Рассмотрены исторические этапы создания, состояние разработок и перспективы развития микромеханических приборов. Приводятся примеры использования классификаций в системах проектирования. В конце пособия приводится обширный список литературы для самостоятельного изучения и краткий англо-русский словарь по тематике микромеханических гироскопов для удобства чтения англоязычных источников. Автор выражает признательность рецензентам проф. В.Я. Распопову и проф. Д.Г. Грязину за ценные замечания и предложения, которые учтены при подготовке рукописи. Особая благодарность проф. О.А. Степанову, проф. И.Б. Челпанову и к.т.н. Ю.В. Шадрину за полезные советы в процессе написания пособия и О.М. Яшниковой за тщательное редактирование текста. Отдельное спасибо к.т.н. Б.В. Березе за предоставленные материалы для составления словаря. 6 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ БИНС – бесплатформенная инерциальная навигационная система ВГ – вибрационный гироскоп ВК – вторичные колебания ВОГ – волоконно-оптический гироскоп ВТГ – волновой твердотельный гироскоп ДУС – датчик угловой скорости ИСАПР – интеллектуальная система автоматизированного проектирования ИТ – инерционное тело ИЧЭ – инерциальный чувствительный элемент КНИ – кремний на изоляторе КНС – кремний на стекле КЭА – конечно-элементный анализ ЛГ – лазерный гироскоп ММА – микромеханический акселерометр ММГ – микромеханический гироскоп МОМГ – микрооптикомеханический гироскоп МЧ – механическая часть МЭМС – микроэлектромеханическая система ПАВ – поверхностные акустические волны ПК – первичные колебания ПП – печатная плата САПР – система автоматизированного проектирования УДК – универсальная десятичная классификация УП – упругий подвес ЧЭ – чувствительный элемент ЭС – экспертная система ЭЧ – электрическая часть 7 1. ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ 1.1. Традиционные методы проектирования В настоящее время большое внимание уделяется широкому применению и развитию универсальных и специализированных методов проектирования различных приборов, особенно изготавливаемых с применением новых технологий. К классу таких приборов относятся микроэлектромеханические системы (МЭМС, в англоязычной литературе MEMS – Micro Electro Mechanical System), изготавливаемые технологическими методами микроэлектронной промышленности. Для расширения областей применения информационно-навигационных систем одним из ключевых направлений является разработка, создание и совершенствование микромеханических гироскопов (ММГ, в англоязычной литературе MEMS Gyro, Micromechanical Gyroscope), выполняющих функции датчиков угловой скорости (ДУС). Традиционные методы проектирования технических объектов разделяются на эвристические1, экспериментальные и формализованные [Хорошев, 2011]. Подобное деление является достаточно условным, так как выбор метода зависит от предпочтений индивидуального проектировщика и его творческого подхода. При создании новых приборов в каждом из используемых методов проектирования неизбежно будут присутствовать элементы эвристики. Кратко охарактеризуем ряд традиционных методов, наиболее приемлемых для проектирования конструкций ММГ. Эвристические методы основаны на интуитивном решении задач проектирования и в общем случае разделяются на следующие методы: 1. Метод итераций использует последовательные приближения при решении проектных задач. К достоинствам метода следует отнести возможность его использования в условиях информационной неопределенности. Он может быть рекомендован при освоении процесса проектирования конструкций. В этом случае берется известное решение, которое последовательно изменяется для получения требуемого результата. К недостаткам метода следует отнести большие трудозатраты и длительность процесса проектирования, которые во многом зависят от опыта проектировщика. 2. Метод декомпозиции базируется на том, что любую сложную конструкцию можно разделить на ряд более простых взаимосвязанных 1 Эвристика – отрасль знания, изучающая специфику творческой деятельности. В узком смысле под эвристикой понимают интуитивные (неосознанные) методы решения задач, в том числе инженерного (изобретательского) творчества. 8 конструктивных элементов и на основе этого построить иерархическую структуру. Это позволяет проанализировать более простые составные элементы структуры и после этого переходить к анализу всей конструкции. Сложность декомпозиции заключается в необходимости определения количества уровней иерархии и взаимосвязей между уровнями. Однако при наличии стандартизованных или унифицированных конструктивных элементов такой метод позволяет оперативно произвести композицию и синтезировать оригинальную конструкцию прибора. 3. Метод контрольных вопросов основан на поиске ответов на специально подобранные вопросы. Формулирование вопросов типа «Почему сделано так или иначе?», «Что будет, если это изменить?» позволяют попробовать разные подходы к проектированию конструкции. В случае участия опытных специалистов или экспертов в ответах на вопросы метод может быть использован в процессе обучения как способ развития мышления начинающих проектировщиков. 4. Метод мозгового штурма нацелен на поиск большого количества идей по созданию того или иного объекта. Для поиска решения проектных задач небольшая группа от 3 до 10 человек высказывают свои варианты решения (в группу могут входить как специалисты, так и дилетанты). При использовании этого метода необходимо соблюдение несколько правил, среди которых «Свободное выражение идей», «Недопустимость критики высказанных идей», «Развитие идей» и пр. После проведения мозгового штурма опытные эксперты проводят анализ идей, в том числе абсурдных, пытаясь найти рациональное зерно и приемлемые варианты решения. 5. Метод морфологического анализа ставит своей целью подбор всевозможных решений по созданию конструкции на основе различного сочетания морфологических признаков (относящихся к форме и структуре). Наиболее эффективно метод реализуется при наличии классификационных схем различных конструкций. 6. Метод конструирования является традиционным при создании конструкций технических объектов. К базовым методам конструирования относят методы на основе преемственности и унификации, что позволяет создавать новые изделия эволюционным путем. Однако, для такой новой области как микромеханика пока не существует базовых конструктивов и отработанных технологических решений. Среди методов конструирования наиболее подходящими для создания конструкций ММГ являются метод модификации и метод инверсии. Метод модификации подразумевает изменение или доработку существующей конструкции под новые эксплуатационные требования или расширенные технические характеристики. Например, ставится задача модифицировать гироскоп для расширения диапазона измерений или использования при повышенной вибрации. Метод инверсии позволяет создать новую конструкцию и получить новое качество путем изменения функций или структуры существующего изделия. На9 пример, внутренние части конструкции сделать наружными, а наружные – наоборот, сделать внутренними. Экспериментальные методы в процессе проектирования используются при наличии изготовленного образца изделия для уточнения его характеристик и поведения в определенных условиях. Испытания разработанного прибора позволяют уточнить или определить некоторые параметры конструкции (например, физико-механические свойства используемого материала), которые невозможно получить иными методами, или выявить некоторые эффекты, неучтенные на предыдущих стадиях проектирования. Однако, проведение различных видов испытаний и использование экспериментальных данных без знания внутренней структуры и особенностей конструкции опытного образца затруднит выработку адекватных проектных решений. Поэтому экспериментальные методы проектирования помогают определить реальные характеристики приборов и дополняют другие методы, позволяя верифицировать2 проектные решения. Следует отметить, что экспериментальные методы достаточно трудоемкие, так как опираются на испытания материально воспроизведенных образцов приборов. Использование таких методов при проектировании опирается на метод итераций, когда внедряется какое-то проектное решение, изготавливается образец, проверяются его характеристики и затем процесс повторяется до удовлетворения требований к конструкции. Для снижения материальных и временных затрат разработаны и широко применяются методы планирования эксперимента, которые позволяют уменьшить количество необходимых испытаний, регламентировать порядок их проведения, определить набор входных и выходных параметров, установить необходимую точность измерений. К экспериментальным методам проектирования относят методы компьютерного моделирования, когда исследуется не реальный образец, а компьютерная модель. Такие методы проектирования иногда называют машинным экспериментом вследствие первоначального наименования компьютеров как электронно-вычислительных машин. Методы компьютерного моделирования имеют много общего с экспериментальным исследованием реальных образцов изделий. В обоих случаях точно не известны исходные данные, параметры, допущения, связи между элементами и пр. При использовании в компьютерном моделировании готового программного обеспечения неизвестны аналитические процедуры составления уравнений и алгоритмы их численного решения. Однако, методы компьютерного моделирования обладают существенными преимуществами перед экспериментальными методами проекти- 2 Верификация – подтверждение каких-либо теоретических положений путем их сопоставления с экспериментальными данными. 10 рования. Они состоит в широчайших возможностях модернизации, как самой конструкции, так и методов ее испытания, при этом нет необходимости заново изготавливать новые образцы и проводить их экспериментальные исследования. Это позволяет многократно увеличить скорость проектирования. Кроме того, использование методов компьютерного моделирования экономически более выгодно, даже при значительной стоимости используемого программного и аппаратного обеспечения. Дополнительные преимущества возникают при необходимости исследования сложных динамических процессов или поведения будущего изделия в экстремальных условиях эксплуатации. Создание или покупка уникальных стендов для экспериментальных исследований будет чрезвычайно дорогим и длительным мероприятием, в то время как, компьютерное моделирование может быть проведено достаточно результативно и в разумные сроки. Такие возможности позволяют предсказывать поведение сложной системы в гипотетических условиях, а сам процесс компьютерного исследования называется предсказательное моделирование. Формализованные методы опираются на создание алгоритмов, описывающих процедуры проектирования. При наличии унифицированных алгоритмов расчета элементов конструкции можно достаточно быстро предложить несколько вариантов решений. Одним из основных направлений проектирования с использованием формализованных методов является метод автоматизации процедур, который служит основой для создания систем автоматизированного проектирования (САПР). Широкое распространение методов компьютерного моделирования с использованием САПР позволяет резко повысить эффективность проектирования различных сложных технических систем, но создает новую проблему адекватности и достоверности получаемых результатов. Для решения этой проблемы традиционные методы проектирования должны опираться на квалифицированную экспертизу получаемых результатов и инженерную оценку практической реализуемости предложенных решений. 1.2. Интеллектуальные методы проектирования ММГ изготавливаются серийно на основе использования современных технологий микроэлектроники, имеют упруго подвешенные подвижные элементы со сложной динамикой и высокоточные измерители перемещений, выполненные в микроминиатюрном исполнении. Для проектирования таких датчиков, на современном уровне развития приборостроения необходимо использование интеллектуальных методов проектирования, опирающихся на весь опыт накопленных знаний и практических разработок. В последние годы прогресс в создании САПР ознаменовался переходом от двумерного 2D к трехмерному 3D параметрическому моделирова11 нию конструкций при наличии информационных и хорошо развитых, всеохватных и структурированных баз данных. Кроме традиционных баз данных, содержащих набор определенных компонентов и их характеристик, современные САПР содержат базы знаний, которые основываются на интеграции инженерных, научных и прочих познаний [Гаврилова, 2000]. Независимо от степени интеллектуализации, содержания и конкретного состава используемого программного обеспечения САПР предназначаются для решения следующих основных задач [Норенков, 2006; Камаев, 2005]: 1. Обоснование, составление, уточнение и корректирование технического задания. 2. Планирование и проведение подготовительных работ, материальная и организационная подготовка к собственно проектированию. 3. Анализ технического задания, распределение работ по подразделениям и внешним исполнителям, обоснование назначения сроков выполнения этапов и стоимости проекта. 4. Поиск и анализ аналогов, принципиальных и технических решений, которые можно было бы выбрать за прототипы. 5. Концептуальный и стратегический анализ, включающий выбор принципов и основных путей решения, выбор кинематических, конструктивно-компоновочных схем. 6. Осуществление структурного синтеза и параметрической оптимизации. 7. Поисковое конструирование на уровнях модулей, возможно с элементами изобретательства. 8. Создание базового варианта проекта. 9. Доработка (корректировка) базового варианта. Проверка соответствия отраслевым стандартам и стандартам предприятия. Введение корректив и окончательное редактирование. Создание комплекта технической и сопроводительной конструкторской документации, подготовка рабочих чертежей и иная документация В настоящее время в САПР большое внимание уделяется проведению компьютерных расчетов с использованием общетехнических и узкоспециализированных пакетов прикладных программ, за счет чего повышается эффективность и качество инженерного творчества. Однако нужно учитывать, что в связи со спецификой прикладных задач требуются различные уровни сложности используемых математических моделей и конкретные средства информационного и программного обеспечения. Приспособление компьютерных технологий к инженерным задачам различных уровней сложности в разных областях и их эффективное применение представляет собой серьезную проблему. Инженеры-проектировщики не имеют реальных возможностей глубокого изучения универсальных компьютерных технологий, включая построение и верификацию математических мо12 делей, формулирование ограничений на решения и методов вычислений, выбор программного обеспечения. Специалисты-компьютерщики часто не понимают смысла прикладных задач и значимости результатов решения, часто лишь по формальным признакам подгоняя реальные задачи к типовым формализованным математическим моделям. Создаваемые и совершенствуемые интеллектуальные САПР (ИСАПР) призваны устранить, или, по крайней мере, значительно смягчить указанные противоречия. К настоящему времени общие принципы построения ИСАПР созданы в целом и проработаны для определенных технических приложений [Евгенев, 2009]. Классические САПР используются в тех случаях, когда при проектировании изделий данного класса накоплен достаточный опыт, закрепленный в методиках. ИСАПР необходимы проектировщикам тогда, когда отсутствуют или признаются недостаточными хорошо проработанные методики проектирования, изделие характеризуется новизной, требуются значительные затраты творческого труда. По мере возникновения потребностей проектировщиков появляются новые сценарии решения задачи, что превращает подобные системы в прообразы ИСАПР. Эти программные модули, использующие в своей работе базы знаний, оказывают инженеру существенную помощь в принятии решений, предлагая ему на выбор допустимые альтернативы в задачах, не поддающихся формализации. В потребительском секторе превалирование такого подхода особенно ярко проявляется при появлении на рынке смартфонов и планшетных компьютеров новых поколений, когда устройство предугадывает желания владельца (оператора) и позволяет максимально быстро и комфортно найти решение текущей задачи. Принципы построения ИСАПР опираются на представления о машинном интеллекте. Под машинной или компьютерной интеллектуальной системой в настоящее время понимают совокупность алгоритмов, программных и аппаратных средств, с помощью которых система способна решать задачи, традиционно считающиеся творческими, принадлежащие конкретной предметной области, знания о которой и накопленный опыт хранятся в памяти такой системы. Интеллектуальная система обеспечивается обладающим расширенными возможностями гибким и хорошо приспособленным интерфейсом для общения с квалифицированными специалистами определенных профилей и уровней подготовки (не столько специалистами по компьютерным технологиям, сколько хорошо и глубоко понимающими прикладные задачи). Важными для искусственного интеллекта считаются следующие функции: обмен информацией; обеспечение общения между собой специалистов, решающих совместную задачу; 13 широкое совместное использование совокупностей баз данных и знаний (при большом разнообразии принципов их организации); сравнение вариантов и оптимизация; принятие решений. Отметим, что в классической теории искусственного интеллекта обычно делается упор на общую теорию познания, на алгоритмы принятия решений при различной информации о сложно организованных системах при учете большого числа ограничений, что не свойственно ИСАПР. Основой машинного интеллекта в ИСАПР является структурный (в противоположность программному) способ обработки информации. При использовании структурного способа важно, что выполнение задания не требует проработки алгоритмов от начала до конца, не нужны никакие несущественные программные указания о промежуточных действиях. В этом случае компьютер «знает», как выполнять задание, поскольку во внутреннем программном обеспечении заложена соответствующая информация, которая активизируется по коду полученного машиной задания. При повышении сложности действий, которые может выполнять компьютер без детализации со стороны пользователя (в виде последовательностей программных указаний), повышается уровень интеллекта. Исходные программы пишутся, как правило, на языках высокого уровня, эти программы переводятся на внутренние языки компьютера с помощью трансляторов. Чем более развит в сторону универсальности внутренний язык в смысле содержания в нем элементов и конструкций языков высокого уровня и средств реализации трансляторов, тем проще процесс трансляции и тем ближе полученная в результате рабочая программа к исходной. Другая отличительная особенность машинного интеллекта – способность выполнять набор операций с данными и знаниями, хранящимися в базах данных и базах знаний в памяти ЭВМ без специального программирования этих операций. Этими операциями являются процедуры поиска информации, необходимой для решения задач, моделирование цепочек рассуждений с привлечением знаний, корректировка содержимого баз и т. п. Организация вычислительного процесса основана на выполнении последовательности служебных процедур. Как правило, эти процедуры не подлежат программированию, они уже имеются в базах знаний. Если выполнение таких процедур будет происходить на специально предназначенном для них оборудовании, то это соответствует более высокой степени машинного интеллекта. Важный признак повышенного машинного интеллекта – возможность непосредственного выполнения операций с различными, сложно организованными данными (векторами, матрицами различных размерностей, таблицами, графиками, номограммами, списками и т. п.). В ИСАПР вместо того, чтобы выполнять работу по приведению расчетных задач к унифицированному виду, пользователю доста14 точно лишь указать имя соответствующей процедуры и она откроется в специальном окне. Как и всякая другая система искусственного интеллекта, ИСАПР имеет в своем составе базу знаний, в которой хранится вся необходимая для ее работы информация о предметной области, в которой решается задача проектирования. В этой базе знаний должен быть собран, обобщен и представлен в организованном виде тот опыт, который накоплен проектировщиками и аналитиками, и экспертная информация об известных используемых и могущих быть использованными путях поискового конструирования; ее содержание представляет в систематизированном и организованном виде реальные задачи, отчасти вытекающие из общих принципов проектной деятельности, часто эмпирически отработанные идеологию и процессы моделирования рассуждений, типичные для специалистов, которые работают в данной области. При этом термин «интеллектуальная система» ни в коей мере не означает, что в процессе проектирования не может участвовать человек. Понятие ИСАПР подразумевает разумное распределение функций в вопросах принятия решений между человеком и тем интеллектуальным ядром, которое присутствует в системе. Иногда понятие интеллектуальности ИСАПР трактуется как возможность системы принимать решения без участия проектировщика. Однако реальные и сложные задачи проектирования не сводятся к автоматизации черчения или даже моделирования, а носят характер сложного итерационного процесса, учитывающего весь накопленный опыт и знания предыдущих поколений. Часто уровень САПР характеризуется не большим набором заложенных универсальных функций, а степенью автоматизации конкретного процесса проектирования определенного изделия. Это привело к появлению специализированных программных продуктов, позволяющих выполнять замкнутый цикл проектирования особых устройств, например, микромеханических, от создания концепции до реализации технологического процесса изготовления. С одной стороны, при единстве методологического подхода ИСАПР, как правило, являются узкоспециализированными не только по предметным областям, но даже по применению к узкоспециализированным группам объектов. С другой стороны, искусственный интеллект требует наличия и активного использования универсальных программных средств, которые определяют приспособленность к языкам программирования высокого уровня. Однако необходимо обеспечить близость к естественным языкам постановки предметных задач и ориентироваться на конкретные знания о предметной области, в которой решается данная задача. ИСАПР помогает строить интеллектуальный интерфейс между проектировщиком и компьютером, поддерживать аккумулировать и активно использовать накопленный опыт. 15 Функционирование ИСАПР представляется следующим образом. Задание на проектирование, которое в ИСАПР может формулироваться на естественном профессиональном языке, с помощью языкового интерфейса и других диалоговых средств воспринимается системой, уточняется и переводится в специальное внутреннее представление на машинный язык. После этого предпринимаются попытки свести процесс проектирования к стандартным проектным процедурам, реализуемым в классических САПР. При нахождении процедуры, подходящей для данной задачи, далее используется именно она. Если такая процедура не найдена, то диспетчерский блок передает задачу в экспертную систему (ЭС), компетентную в данной предметной области. Взаимодействуя с базой знаний и САПР, ЭС помощью баз данных и знаний ищет пути решения задачи. В современных специализированных ИСАПР для отдельных классов объектов интегрируются различные поэтапные процедуры на всех последовательных уровнях проектирования, начиная с этапа подготовки технического задания и кончая техническим и рабочим проектами. Важно, что алгоритмизуются не только стандартизованные проектно-расчетные работы, но и многие творческие задачи, в частности, традиционно эвристические (часто имеющие обоснования только на уровне здравого смысла или накопленного опыта) процедуры поискового конструирования, структурного синтеза и оптимизации. По сравнению с традиционными САПР основное внимание в ИСАПР акцентируется на использовании базы знаний, которая является основной составной частью информационного обеспечения. Кроме того, в ИСАПР имеется ЭС для формирования интеллектуального ядра (рис. 1.1). Рис. 1.1. Основные модули интеллектуальной САПР. 16 Таким образом, основными признаками ИСАПР в отличие от традиционных САПР можно назвать следующие: наличие базы знаний с возможностью генерации проектных решений неформализованных задач; наличие экспертной системы, создающей интеллектуальное ядро с опорой на базу знаний. В соответствии с определением база знаний представляет собой организованную совокупность знаний, относящихся к определенной (широкой или узкой) предметной области. В общепринятом представлении знанием является проверенный практикой результат познания действительности. Иначе говоря, знание – это накопленные человечеством истины, факты, принципы и прочие объекты познания. Поэтому в отличие от базы данных, в базе знаний располагаются собранные сведения, содержащиеся в различных источниках: в документах, книгах, статьях, отчетах. Организация и функционирование баз данных и баз знаний осуществляется по общим правилам. Специфика баз данных и знаний ИСАПР заключается в том, что должно быть предусмотрено их пополнение за счет использования информации о новых разработках, результатах исследования и внедрения освоенных новых материалов, технологий, использования комплектующих изделий и пр. Желательно, чтобы фактический материал сопровождался комментариями. При этом должны предусматриваться хорошо отработанные процедуры приведения к стандартным формам, присвоения кодов, проверки и контроля. Естественно, что при этом не должно быть стремления собрать всю доступную информацию (в первую очередь это касается не реализованных изобретений) иначе базы данных и знаний вынужденно будут становиться необозримыми. Отбор и редактирование материалов для внесения в базы данных должен проводиться высококвалифицированными экспертами, хорошо знающими предметные области. Использование ИСАПР требует жесткого соблюдения определенных правил идентификации: все элементы в ходе проектирования должны быть классифицированы в принятой, обычно иерархически построенной системе классифицирования; все классифицированные элементы должны иметь атрибуты, индексированные по определенным правилам; алгоритм проектирования представляется в виде ориентированного графа; каждый этап проектирования должен иметь атрибут, к которому добавляется комментарий (обоснование, рекомендация, правило). 17 1.3. Технологические особенности микромеханических гироскопов Для понимания дальнейшего изложения материала пособия необходимы определенные знания о технологических особенностях разработки и изготовления ММГ, которые следует учитывать при выборе методов проектирования. В настоящее время в зависимости от технологии изготовления чувствительные элементы ММГ выполняются из неметаллических материалов – кварца, кремния, пьезокерамики, арсенида галлия и других. Выбор кварцевой технологии для создания инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ) обуславливается уникальными свойствами кварца – высокой стабильностью механических характеристик и большой добротностью3 кварцевых резонаторов. По своей структуре кварц может быть аморфным материалом (плавленый кварц) или кристаллическим. Для изготовления резонаторов, как правило, используется кристаллический кварц. Он представляет собой анизотропный материал, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Это создает возможность генерации механических движений при приложении переменного электрического напряжения или, напротив, приводит к появлению электрических напряжений при механических воздействиях. Одним из существенных преимуществ кварца как конструкционного материала является слабая зависимость изменения собственных частот осциллятора от изменения температуры. Упругие свойства кварца ниже, чем у кремния, а электрическое сопротивление значительно выше. Использование электростатических полей и емкостных датчиков практически невозможно без нанесения дополнительной металлизации, однако применение пьезоэлектрических преобразователей является легко реализуемым. Кварцевая технология создает определенные трудности при интеграции механической структуры и электронной части прибора и не позволяет получать миниатюрные изделия, размеры которых не превышают единицы миллиметров. Кроме того, стоимость кварцевых заготовок значительно выше, чем кремниевых. После успешной демонстрации в 80-х годах прошлого века возможностей по обработке кремниевых пластин при создании микромеханических датчиков различного назначения многие фирмы остановили свой вы- 3 Добротность – безразмерная количественная характеристика резонансных свойств колебательной системы (контура), указывающая во сколько раз амплитуда установившихся вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду статического отклонения при постоянном воздействии (при нулевой частоте). Добротность тем выше, чем меньше рассеивание (потери) энергии в колебательной системе. Добротность присуща системе или контуру, употреблять выражение «добротность колебаний» – неправильно. 18 бор на этом направлении и успешно развивают его. Настоящий прорыв в области создания инерциальных чувствительных элементов (гироскопов и акселерометров) произошел при эволюции планарной тонкопленочной технологии микроэлектроники с толщиной пленок до долей микрометров к технологии толстых пленок с толщиной десятки микрометров и соответствующем появлении возможности создания 3-D (трехмерных) структур. Третье измерение позволяет создать подвижное тело с определенными инерционными характеристиками, что является основой для построения гироскопического датчика. В настоящее время толщины кремниевых инерциальных датчиков составляют десятки микрометров и при использовании специализированных технологических приемов возможно получение миллиметровой толщины. Однако, несмотря на впечатляющие технологические достижения, конструкции ММГ, созданные с использованием кремниевой технологии, остаются планарными, у которых толщина инерционного тела значительно (в десятки раз) меньше длины и ширины. Кремниевая технология непрерывно совершенствуется и полностью отвечает особенностям создания ММГ. К достоинствам кремниевой технологии можно отнести возможность создания массового автоматизированного производства датчиков и соответственно достижения их уникально низкой стоимости. Постоянное совершенствование технологии и повышение точности изготовления позволяет создать малогабаритные устройства с микроминиатюрными размерами элементов. Выбор кремниевой технологии определяется не только возможностями микроэлектронной промышленности, дешевизной и доступностью пластин-заготовок, но и уникальными свойствами кремния как конструкционного материала. Кремний (Si) – один из самых распространенных элементов на Земле. По некоторым оценкам он составляет более 26% массы земной коры и занимает второе место после кислорода. Кремний обладает высокой относительной жесткостью (отношение модуля упругости к удельному весу), которая в 2 раза превышает аналогичный показатель стальных сплавов. Благодаря низким внутренним потерям на трение добротность кремниевых осцилляторов может достигать значения более 100000. Для целей производства ММГ используют монокристаллический или поликристаллический кремний. В отличие от монокристалла, имеющего упорядоченную структуру кристаллической решетки, поликристалл состоит из хаотически расположенных кристаллических зерен и имеет одинаковые свойства по всем направлениям, т.е. является изотропным материалом. В некоторых конструкциях используется карбид кремния SiC, обладающий лучшими физическими и эксплуатационными характеристиками и позволяющий повысить температурный диапазон использования ММГ. 19 Монокристаллический кремний представляет собой анизотропный материал, механические и электрические характеристики которого зависят от кристаллографического направления (рис. 1.2). а) б) в) Рис. 1.2. Кристаллографические плоскости с индексами Миллера. а) нормальные плоскости; б) диагональные плоскости; в) наклонные плоскости. Для определения направления в кристалле используют индексы Миллера. При этом каждой плоскости присваивают конкретное числовое значение, состоящее из трех цифр. Каждая цифра обозначает отстояние плоскости по соответствующей координатной оси. Кристаллографические направления определяются как оси, перпендикулярные соответствующим плоскостям, и обозначаются треугольными скобками. Например, направление <100> совпадает с направлением оси X и является нормалью к плоскости (100). Модуль Юнга и предел текучести монокристаллического кремния находятся на уровне характеристик нержавеющей стали и существенно зависят от кристаллографического направления. При этом на прочностные характеристики монокристаллического кремния сильно влияют дефекты кристалла, шероховатость поверхности, легирующие примеси, технология обработки поверхности. Данные механических характеристик кремния: модули упругости первого рода E (модуль Юнга), второго рода G (модуль сдвига) и коэффициент Пуассона для разных направлений кристалла приведены в таблице 1.1 [Распопов, 2007]. 20 Таблица 1.1. Модули упругости для различных направлений Направление <100> <110> <111> E, ГПа 130,2 168,9 187,5 G, ГПа 79,4 66,9 57,8 0,279 0,262 0,182 При проектировании ММГ с учетом сильной зависимости характеристик монокристаллического кремния от условий производства и эксплуатации, а также в связи с необходимостью длительной работы осциллятора при циклических деформациях, для обеспечения гарантированного запаса прочности следует ограничить максимальные напряжения в конструкции величиной 500 МПа в любом направлении. Следующей особенностью монокристаллического кремния является его хрупкость и практически полное отсутствие пластических деформаций при температурах менее 500С. Этот недостаток материала имеет существенное влияние на поведение конструкции при эксплуатации готового изделия на объектах, имеющих значительные инерционные перегрузки. К таким объектам относятся артиллеристские и ракетные снаряды, на которых ударные воздействия могут доходить до 104g [Гай, 1998]. Кроме моно- и поликристаллического кремния в процессе производства ММГ используются различные соединения кремния, такие как диоксид или двуокись кремния (SiO2) и нитрид кремния (Si3N4). Эти соединения предназначены для создания электрически изолированных слоев, защитных слоев при операциях вытравливания структуры, стоп-слоев для остановки процесса травления. Монокристаллический кремний используется в микромеханическом производстве в виде пластин диаметром от 2 до 12 дюймов (50 – 300 мм). Наибольшее употребление находят пластины с ориентацией монокристаллического кремния <100>, <110>, <111> (или вырезанные соответственно в плоскостях (100), (110), (111)). Толщина пластин зависит от их диаметра и варьируется от 0,35 до 0,6 мм. Для стандартной трехдюймовой (76 мм) пластины толщина составляет 0,38 мм. Подавляющее большинство схем ММГ предполагает наличие подвижного инерционного тела (ИТ), соединенного с основанием посредством упругого подвеса (УП). Для формирования такой достаточно сложной для изделий микроэлектроники структуры используется ряд специализированных процессов. Обобщенный технологический процесс производства ММГ представлен на рис. 1.3. 21 Рис. 1.3. Обобщенный технологический процесс производства ММГ. Представленный техпроцесс микромеханического датчика включает следующие этапы: получение заготовки в виде пластины кремния или так называемой вафли4; фотолитография (photolithographic processing), включающая осаждение фоторезиста5, формирование маски для травления (засветка фоторезиста), удаление засвеченного фоторезиста; изотропное и анизотропное травление материала заготовки по фоторезистивной маске. Этот цикл может повторяться неоднократно для получения требуемой конфигурации изделия; проверка кристаллов пластины на соответствие требуемых геометрических и электрическим характеристикам (англ. wafer test); разрезка пластины на отдельные кристаллы или чипы (англ. die, chip). Такая операция называется скрайбирование (англ. scribing, dicing); крепление чипа в керамическом корпусе посредством сварки или пайки (англ. packaging), сварка контактов чипа и корпуса (англ. bonding), 4 Наименование «Вафля» используется в отечественной литературе для обозначения пластин кремния и является переводом английского термина «Wafer». Вафли обрабатываются стандартными средствами технологии микроэлектроники, такими как травление, легирование, имплантация, осаждение материала и др. Иногда используют выражение «изготовление на уровне вафли» (wafer level) или «проверка на уровне вафли» (wafer test), что означает формирование или проверка характеристик элементов конструкции ММГ непосредственно на кремниевой пластине без дополнительных сборочных операций. 5 Фоторезист – полимерный светочувствительный материал, который наносится на обрабатываемую поверхность в процессе фотолитографии с целью получения фотошаблона с окнами для доступа травящих веществ. 22 герметизация (англ. sealing) для обеспечения вакуума во внутренней полости изделия и исключения загрязнений; окончательная проверка готового изделия после выполнения всех технологических операций (англ. final tests). Изготовление ММГ проводится методами групповой технологии микроэлектроники, которые не являются обычными для традиционного приборостроения. Размеры упругих элементов подвеса, изготавливаемых подобными технологическими методами, составляют десятки микрометров, а зазоры в подвижных структурах измеряются единицами микрометров. Отличием планарной технологии микроэлектроники являются одинаковые допуски на изготовление всех размеров, лежащих в плоскости чувствительного элемента и соответственно определяющим является допуск минимального размера. Благодаря совершенствованию технологии точность изготовления элементов микромеханики постоянно растет. В 1995 г. для технологии микроэлектроники США критичный (минимальный) размер элемента составлял 0,35 мкм, в 2017 г. компания IBM объявила о создании технологии производства чипов с топологией 5 нм. В связи с повышением точности изготовления проблеме уменьшения производственных загрязнений уделяется большое внимание, издается специальная литература и разработаны нормативные документы, регламентирующие требования к чистым помещениям для изготовления изделий микроэлектронной промышленности. В России такие требования регулируются группой стандартов ГОСТ Р ИСО 14644 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды». В соответствии с жесткими требованиями по чистоте необходимо предусматривать соответствующую спецодежду для персонала в зоне производства ММГ (рис. 1.4). Рис. 1.4. Помещение для производства микромеханических изделий. 23 Ниже последовательно рассматриваются основные особенности операций на различных этапах изготовления ММГ. Для получения нужного рисунка на поверхности пластины используются процессы литографии, основным из которых является оптический способ или фотолитография. На фотолитографию приходится третья часть всех технологических процессов в микроэлектронике. Последовательность операций при изготовлении рельефной структуры приводится на рис.1.5. Рис. 1.5. Процесс изготовления рельефной структуры. На материал, предназначенный для травления и осажденный или выращенный на основе, наносится слой фоторезиста требуемой толщины. Нанесение фоторезиста осуществляется путем литья материала (casting) на вращающуюся с большой скоростью пластину, для равномерного распределения резиста под действием центробежных сил. На следующей операции после сушки производится экспонирование и слой засвечивается ультрафиолетовым светом через фотошаблон, имеющий требуемый рисунок. Маска для травления получается после проявления в растворителе засвеченного слоя фоторезиста. Фоторезистивные материалы бывают позитивные или негативные. В первом случае в процессе обработки слоя удаляются засвеченные участки, во втором – все участки, кроме засвеченных. По готовой маске производится травление основного материала, при этом нерастворенные участки фоторезиста устойчивы (резистивны) к травителю. Основа, изображенная на рис. 1.5, выполняет роль стоп-слоя, на котором процесс травления останавливается. После выполнения процесса травления основного материала фоторезистивная маска удаляется. Точность воспроизведения рисунка фотолитографическими методами достигает 100 нм, что вполне удовлетворяет потребности изготовления 24 ММГ. Применение специальных методов (иммерсионной литографии) позволяет получить разрешение до 11 нм. При проектировании ММГ изготовитель диктует технологические нормы для воспроизведения требуемого рисунка осциллятора (минимальная ширина линии и минимальный зазор в подвижной структуре). В зависимости от оснащенности производства эти нормы могут составлять от 1 до 10 мкм. Требования к зазорам или ширине элементов менее 1 мкм являются технологически необоснованными не только вследствие сложности достижения таких величин и соответственного увеличения стоимости изготовления, но также из-за возникновения таких специфических явлений как возможное слипание подвижных элементов конструкций из-за сил межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) и электродов при минимальном электрическом напряжении (в англоязычной литературе этот эффект называется pull-in). Для получения конфигурации чувствительного элемента ММГ необходимо удаление материала в соответствии с заданной конструктивной схемой. Толщина подвижных структур ИТ и УП составляет от 10 до 100 мкм. Для обеспечения их подвижности требуется выполнение глубоких щелей (вырезов) с высокой вертикальностью стенок и травления материала под структурой. В настоящее время для целей создания изделий микромеханики разработаны различные приемы удаления материалы, среди которых наиболее технологичными являются методы травления. Методы травления, применяемые в микроэлектронике, делятся на сухие или газовые (англ. dry etching) и жидкостные (англ. wet etching). Разработанные составы для жидкостных методов обладают высокой селективностью, широким и регулируемым диапазоном скоростей травления, но в большинстве случаев изотропны, то есть скорости удаления вещества одинаковы по всем направлениям. Изотропное жидкостное травление применяется в основном для травления рисунков в тонких пленках и непригодно для глубокого травления структур с малыми поперечными размерами, что требуется для изготовления микромеханических изделий. Для монокристаллических материалов существуют и анизотропные жидкостные методы травления кремния в щелочных растворах. К недостаткам метода анизотропного жидкостного травления можно отнести трудность получения высокой вертикальности стенок (рис. 1.6,а). 25 а) б) Рис. 1.6. Использование различных методов анизотропного травления а) жидкостное травление; б) сухое плазменное травление Необходимость обеспечить вертикальные стенки вытравленных участков кремниевой заготовки требует высокой анизотропии травления и делает невозможным применение жидкостных методов химического травления. Поставленная задача может быть решена методами сухого плазменного травления (рис. 1.6,б). Наиболее качественные результаты по изготовлению глубоких канавок дает использование реактивного ионно-плазменного травления DRIE (Deep Reactive Ion Etching). Такой процесс основывается на так называемом Bosch-процессе, разработанном и запатентованном в компании Robert Bosch (Германия). С помощью этой технологии добиваются анизотропии травления 100:1 и более (100:1 означает отклонение по горизонтали 1 мкм при глубине по вертикали 100 мкм), что позволяет реализовать допуск вертикальности стенок 0,5 и менее. Следует иметь в виду, что готовые рецепты глубокого травления кремния (до нескольких десятков микрометров) составляют, в большой степени, «ноу-хау» изготовителей, а процесс травления в значительной мере зависит от множества второстепенных факторов. Одним из ключевых моментов технологической операции травления является получение подвижной структуры чувствительного элемента (Structure Release), имеющей гарантированный зазор между ИТ и неподвижной основой. Это означает создание конструкции, в которой ИТ связано с основанием только упругими элементами подвеса. Среди кремниевых технологий различают процессы, связанные с объемной обработкой (bulkmicromachined), поверхностной обработкой (surface-micromachined) и комбинированные технологии. Отличие этих технологий заключается в толщине обрабатываемого монокристаллического кремния. Поверхностная технология работает в основном с осажденными или эпитаксиально выращенными пленками (thin films), толщина которых не превышает 20 мкм. Однако с развитием технологий грань между ними стирается. В настоящее время широкое распространение получили технологии с использованием пластин «кремний на изоляторе» – КНИ (в английской 26 литературе SOI – Silicon On Insulator). Такая пластина состоит из трех слоев: кремниевая основа, слой диоксида кремния (SiO2) как изолятора и слой монокристаллического кремния. В качестве изолятора может выступать специальное стекло, в этом случае такая технология называется «кремний на стекле (сапфире)» – КНС. При использовании пластин SOI на первом этапе в кремнии вытравливаются глубокие канавки до диоксида кремния, который выполняет функции стоп-слоя, для образования конфигурации подвижной структуры в соответствии с рисунком фотошаблона. На втором этапе вытравливается слой диоксида с использованием травителя, не вступающего в реакцию с основным кремнием (рис. 1.7,а). При этом на поверхности ИТ выполняется ряд технологических отверстий, облегчающих доступ травителя под поверхность структуры (рис. 1.7,б). а) б) Рис. 1.7. Травление подвижной структуры а) процесс травления; б) готовая структура Кроме технологии кремний на изоляторе применяются технологии КНС. При этом осуществляется легирование кремния, например бором, на заданную глубину, равную толщине ИТ. Далее с одной стороны пластины выполняется травление легированного слоя кремния для получения требуемой конфигурации, при этом нелегированная часть образует стоп-слой. На стеклянной подложке выполняется профиль и на нее наносятся электроды для измерения вторичных колебаний, которые будут находиться под подвижной кремниевой структурой. Совмещение пластин при сварке осуществляется по специальным меткам (англ. alignment mark). После сварки полученной пластины кремния легированной стороной со стеклом стравливается нелегированная часть кремния и таким образом освобождается подвижная структура. На этом этапе травления в качестве стоп-слоя используется легированный слой. Различия технологий показаны на рис. 1.8. 27 а) б) Рис. 1.8. Технологии КНС (а) и КНИ (б). Существенным отличием технологий КНС и КНИ является то, что стекло представляет собой отличный изолятор, а изоляционные свойства диоксида кремния ниже. Поэтому при использовании технологии КНИ большое внимание следует уделять изоляции электропроводящих элементов конструкции и оценке возможных паразитных емкостей. Крепление чипа в корпусе является одной из технологических проблем, которой уделяется большое внимание. Если для изделий микроэлектроники необходимо обеспечить только прочность и надежность соединения, то для ММГ исключительно важным является сохранение геометрической и механической стабильности соединения во всем диапазоне условий эксплуатации. При построении технологического процесса изготовления ММГ особое внимание следует уделить пооперационному и окончательному контролю механических и электрических параметров изделия. Малая величина зазоров в подвижной структуре выдвигает высокие требования к обеспечению и контролю допусков формы и расположения поверхностей, выполнения и стабильности размеров, достижения требуемой шероховатости поверхности. Для создания механических устройств необходимо применение тех же технологических приемов, что и производстве электронных схем. Такой подход открывает широкие возможности по интеграции механической и электронной части прибора и производству их одновременно или последовательно на одном кристалле. С учетом специфики технологии изготовления сформулируем следующие особенности ММГ, которые необходимо учитывать при проектировании [Евстифеев, 2009]: 28 1. Одной из основных особенностей ММГ является использование при их производстве материалов и технологий современной твердотельной электроники. Электромеханические узлы ММГ формируются на плоских заготовках в виде пластин из неметаллических материалов (монокристаллический кремний, плавленый кварц, карбид кремния и др.) методами фотолитографии, изотропного или анизотропного травления, диффузионной сварки. Важным отличием от стандартных полупроводниковых элементов является то, что ММГ представляют собой трехмерные (3D) структуры, содержащие подвижную механическую часть с относительно большой толщиной элементов и определенными требованиями к геометрическим параметрам и упругим свойствам. Вопросы использования планарных технологий для изготовления трехмерных структур и создание новых 3D технологий микрообработки выдвигают проблемы, от успешного решения которых во многом зависит создание действующих образцов ММГ. 2. Особенность ММГ состоит в том, что вследствие специфики микроэлектронной технологии УП и ИТ представляют собой планарные конструкции, в которых толщина элементов намного меньше размеров в плане. Ограничение толщины элементов связано с особенностями используемых технологических процессов и приемов микроэлектронной промышленности, достижение требуемой анизотропии упругих характеристик подвеса обеспечивается различными конструктивными приемами. 3. Отличительным признаком ММГ является интеграция механических и электрических компонентов, изготавливаемых одновременно и с использованием однообразных технологических процессов. Механическая часть датчика изготавливается вместе с элементами электроники возбуждения, датчиками съема и преобразования полезного сигнала, элементами формирования обратных связей и позволяет создавать законченные электромеханические узлы. 4. Следующим отличительным признаком является групповые методы изготовления ММГ. Используемая технология микроэлектроники характеризуется коротким циклом группового изготовления, высокой повторяемостью параметров от образца к образцу и обеспечивает массовое производство, позволяя одновременно создавать тысячи датчиков из единой кремниевой заготовки. Следствием этого является уникально низкая стоимость и получение большого количества приборов для испытаний, что обеспечивает высокий темп отработки конструкций и получение ММГ с заданными характеристиками. 5. Особенностью ММГ является миниатюризация чувствительного элемента, обеспечивающая снижение массогабаритных характеристик. Миниатюризация ММГ приводит к тому, что, вследствие малой массы и размеров, вибрирующие массы имеют высокую частоту собственных колебаний (единицы килогерц). При этом амплитуда колебаний масс очень мала и составляет доли микрометров. Для увеличения амплитуды колебаний 29 при изготовлении ММГ используют материалы с низкими внутренними потерями, такие как кварц и кремний. Однако высокодобротная резонансная система характеризуется большой длительностью переходного процесса, что недопустимо при использовании ММГ на быстро маневрирующих объектах при жестких требованиях ко времени готовности. Для расширения полосы пропускания необходима разработка специализированных быстродействующих систем обратной связи. 6. Большие значения собственных частот колебаний и малая масса подвижной части повышают ударостойкость конструкций. Это позволяет использовать ММГ при значительных перегрузках, составляющих десятки и даже сотни тысяч единиц g. 7. Предельная чувствительность ММГ вследствие малой массы подвижной части является принципиально невысокой. Однако последние образцы доказывают возможность достижения потенциальной точности ММГ на уровне (0,1 – 1) град/ч. 8. При миниатюризации ММГ отношение поверхности к объему подвижных компонентов много больше, чем у приборов с большими габаритами. Как следствие, поверхностные эффекты становятся доминирующими факторами, определяющими характеристики ММГ. Микрометровые и даже субмикрометровые размеры ММГ вызывают новые эффекты, такие как межмолекулярное взаимодействие и pull-in. 1.4. Принципы построения конструктивных схем Для управления движением подвижного объекта необходимо измерение его кинематических параметров, которое производится инерциальным блоком, устанавленным непосредственно на корпусе объекта. Инерциальный блок с использованием входящих в его состав ИЧЭ вырабатывает непрерывную информацию о составляющих вектора кажущегося ускорения (блок акселерометров) и о параметрах вращательного движения места установки (блок гироскопов). При построении современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) для измерения угловой скорости объекта широко применяются ДУС, такие как лазерные гироскопы (ЛГ), волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) и вибрационные гироскопы (ВГ), к которым относятся ММГ [Анучин, 1999; Матвеев, 2009]. В середине прошлого века, еще до появления БИНС, при построении систем управления движением использовались роторные ВГ, у которых ротор имел упругую связь с вращающимся валом, что позволило уменьшить величину сухого трения в осях подвеса. Идея создания осцилляторных ВГ возникла из наблюдений за чувствительными органами некоторых насекомых (рис. 1.9). 30 а) б) Рис. 1.9. Расположение жужжалец (а) и их принципиальная схема (б). Например, отряд двукрылых насекомых (лат. Diptera) имеет только одну, переднюю пару крыльев. Задняя пара крыльев выродилась в булавовидные органы равновесия – жужжальца, которые совершают колебания с частотой порядка 1000 Гц и выполняют роль ДУС – измерителей параметров вращения. Это послужило прообразом создания ВГ, использующих колеблющееся ИТ вместо вращающегося ротора. Относительные скорости движений ротора или в общем случае ИТ не обязательно должны быть вращательными, они могут быть колебательными. В этом случае ВГ становится осцилляторным, а сам гармонический осциллятор6 представляет собой колеблющееся ИТ, которое является носителем кинетического момента или количества движения и имеет упругую связь с основанием – УП. При вращении основания возникают силы инерции Кориолиса7 и за счет деформации связи происходят вторичные 6 В гармоническом осцилляторе смещение из положения равновесия вызывает противодействие силы, пропорциональной величине смещения (например, силы упругости). При наличии только сил упругости такой осциллятор называется консервативным, при наличии трения осциллятор называется диссипативным. 7 Гаспар-Гюстав де Кориолис (1792-1843) – французский математик, механик и инженер. Его имя входит в список 72 имен выдающихся французских ученых и инженеров, помещенный на первом этаже юго-западной стороны Эйфелевой башни. Наибо31 колебания (отклонения) ИТ, пропорциональные измеряемой переносной угловой скорости основания [Брозгуль, 1975]. Среди осцилляторных ВГ одним из первых промышленных образцов является камертонный гироскоп (Tuning Fork Gyroscope) фирмы Sperry (США), разработанный в 1937 году и названный Gyrotron (рис. 1.10). Рис. 1.10. Схема гироскопа Gyrotron. Схема и принцип действия этого прибора таковы. Два ИТ с одинаковыми массами m установлены на концах упругих пластин, которые другими концами закреплены на основании вилки камертона. Само основание вилки через торсион связано с вращающимся основанием. На основании вилки размещен рычаг для функционирования преобразователя угловых перемещений. При воздействии электродов привода оба ИТ массой m совершают поступательные колебания8 одинаковой частоты и амплитуды в противоположных направлениях (противофазные колебания) с относительной ско- лее широко известен работами по изучению сил инерции при рассмотрении движения материальной точки относительно вращающейся системы отсчета. Ускорение Кориолиса есть удвоенное векторное произведение вектора угловой скорости вращения системы координат на вектор скорости движения материальной точки относительно вращающейся системы координат. Соответственно, сила Кориолиса равна произведению массы материальной точки на ее ускорение Кориолиса, взятому со знаком минус. 8 Колебания, возникающие в системе, под действием переменной внешней силы называются вынужденными. 32 ростью Vr . В случае вращения основания с переносной угловой скоростью возникают ускорения силы инерции Кориолиса WC и соответствующие силы FC . Пара сил создает момент M C , который приводит к закручиванию торсиона. Угол закручивания измеряется преобразователем переме щения. Относительная скорость колебаний ИТ Vr носит гармонический характер и момент сил инерции Кориолиса M C , соответственно, вызывает выходные гармонические колебания основания вилки камертона и кручение торсиона. Частота выходных угловых колебаний вилки камертона совпадает с частотой поступательных колебаний ИТ, а амплитуда выходных угловых колебаний пропорциональна измеряемой угловой скорости. Для повышения чувствительности прибора к измеряемой угловой скорости необходимо увеличение амплитуды колебаний ИТ. С это целью возбуждение колебаний ИТ осуществляется на частоте собственных колебаний9 системы упругих пластин с массами m. В этом случае происходит резонансное увеличение амплитуды колебаний вследствие высокой добротности механической колебательной системы. Основные преимущества осцилляторных ВГ с различными формами упругих конструкций (например, стержневых камертонов) следующие: необходимая подвижность элементов достигается только за счет упругих деформаций деталей сложных форм, вследствие чего в конструкциях полностью исключались зазоры; в механической системе достигаются высокие значения добротности, что важно для поддержания стабильности и высокой чувствительности. Коренной переворот в создании ДУС, в которых вместо вращения используются колебания, произошел в 90-х годах прошлого века, когда были созданы ММГ. Он стал возможен при расширении возможностей микроэлектронной промышленности в области создания 3D структур, т.е. перехода от тонкопленочной технологии к технологии создания объемных элементов. Первоначально это были структуры толщиной 5-10 мкм, сегодня возможно изготовление объемных элементов толщиной в доли или даже единицы миллиметра. Принцип построения конструкции ММГ весьма оригинален: вся многофункциональная структура с подвижным ИТ, которое участвует и в первичных, и вторичных колебаниях на упругом подвесе, создается из 9 Собственные (свободные) колебания представляют собой колебания в системе под действием внутренних сил после выведения системы из состояния равновесия (после снятия нагрузки). Частота собственных колебаний является свойством колебательной системы и зависит только от ее внутренних свойств – упругих (жесткость), инерционных (массы, момента инерции), диссипативных (добротности). 33 единой заготовки на плоской пластине. На ней же формируется исполнительное устройство (как правило, электростатический двигатель) и измерительные устройства (датчики перемещений). Принципиальным является то, что ЧЭ с упруго подвешенным подвижным ИТ создается на кремниевой заготовке (пластине) хорошо отработанными применительно к микроэлектронике средствами микросхемных технологий и исключает какие-то сборочные операции, в результате чего достигается механическая стабильность и значения добротности колебательных контуров получаются на уровнях десятков и сотен тысяч. Миниатюрность составляющих элементов, выполненных в виде микросхем, позволяет уменьшить массогабаритные характеристики и снизить энергопотребление до уровня менее 1 Вт. Подробно принцип работы осцилляторного ВГ раскрывается ниже на математической модели ММГ с поступательными движениями ИТ (рис. 1.11). На этой модели ИТ массой m имеет три степени свободы, размещено в упругом подвесе и может совершать в пространстве поступательные движения. Со стороны подвеса на ИТ действуют упругие силы, зависящие от свойств подвеса. Часто можно приближенно считать, что составляющие сил связаны линейными зависимостями с малыми перемещениями, но иногда нужно учитывать нелинейность зависимостей. В особых случаях при описании сил, действующих на ИТ, необходимо учитывать влияние исполнительных устройств, воздействующих на ИТ, и индикаторных устройств, измеряющих перемещения ИТ. Рис. 1.11. Модель гироскопа с поступательными движениями ИТ. На рис. 1.11 приведены следующие обозначения: 1, 2 – поступательные движения ИТ в УП по осям Х1 и Х2 соответственно; 3 – проекция угловой скорости основания; WC2 – проекция ускорения Кориолиса; FC2 – проекция силы инерции Кориолиса. 34 Приведенная модель ИТ, как твердого (жесткого) тела представляет собой определенную идеализацию. При практической реализации ИТ, как правило, выполняется как вырезанная часть тонкой кремниевой пластины. В большинстве практических случаев такая идеализация оправдана, так как ИТ обладает гораздо большей жесткостью, чем собственно УП. В различных модификациях конструктивных схем ММГ возможно комбинирование нескольких ИТ с несвязанными или связанными УП. Сам принцип состоит в следующем. К ИТ, имеющему упругую связь с основанием, прикладываются силы или моменты и возбуждаются гармонические автоколебания постоянной амплитуды и частоты, скорость этих колебаний Vr является относительной скоростью. Такие колебания являются относительными и называются первичными колебаниями (ПК). В англоязычной литературе такой режим ПК называется drive mode. При вращении основания с переносной угловой скоростью10 возникает ускорение WC , которое называют поворотным ускорением или кориолисовым ускорением (1.1) WC 2 Vr Это вызывает силы и моменты, воздействующие на ИТ и вызывающие деформирование упругих связей ИТ с основанием. Переменные силы инерции Кориолиса приводят к колебаниям ИТ в направлении, перпендикулярном ее относительной скорости и переносной угловой скорости. Колебания, вызванные силами Кориолиса, называют вторичными колебаниями (ВК). В англоязычной литературе режим ВК называется sense mode 11. Частота ВК совпадает с частотой ПК (вынужденных колебаний), а амплитуда возникающих колебаний является мерой измеряемой переносной угловой скорости . УП ИТ осцилляторного ВГ имеет, как правило, две характерные мо12 ды собственных колебаний, причем первая форма собственных колеба- 10 Переносное движение — это движение подвижной системы отсчета и всех постоянно связанных с нею точек пространства относительно базовой системы отсчета. Соответственно, переносная угловая скорость это угловая скорость подвижного основания, на котором закреплен ММГ. Угловая скорость основания подлежит измерению с помощью ММГ, который в данном случае является датчиком угловой скорости. При этом движение ИТ (первичные и вторичные колебания) относительно подвижного основания представляют собой относительное движение. Ускорение Кориолиса возникает всегда, когда присутствует переносная угловая скорость и относительное движение. 11 В книге В.Я. Распопова [Распопов, 2007] движение ИТ по оси ПК носит название «режим движения», по оси ВК – «режим чувствительности». 12 Мода колебаний характеризуется пространственной формой колеблющейся системы и собственной частотой. 35 ний совпадает с формой ПК, а вторая форма колебаний совпадает с формой ВК. Рассмотрим принцип построения ММГ с двумя поступательными степенями свободы ИТ. Согласно рис. 1.11 ИТ массой m, имеющее упругую связь с основанием в виде УП, подвергается воздействию периодической силы, что вызывает первичные гармонические поступательные колебания ИТ (в контуре ПК) постоянной амплитуды 1о и частоты ω1 по оси X1. Если линейная скорость ИТ в ПК относительно основания V1 = ω11, то при вращении основания с переносной угловой скоростью 3 вокруг оси Х3 возникает ускорение Кориолиса вдоль оси Х2, равное WC2 = 23V1. Соответствующая периодическая сила FС2 = – mWС2 воздействует на ИТ, вызывая его ВК с той же частотой ω1, но по другой оси (в контуре ВК). Для описанной схемы ось X1 называется ось ПК, ось X2 – ось ВК, ось X3 – ось чувствительности, по которой действует измеряемая угловая скорость. Амплитуда ВК ИТ определяется выражением 2 = mWС2 c2 -12, (1.2) где c2 – жесткость УП ИТ в направлении действия силы инерции Кориолиса, 2 – коэффициент динамичности, величина которого зависит соотношения частот ПК и ВК и добротности контура ВК13. На структурной схеме процесс преобразования сигнала в ММГ выглядит следующим образом [Serrano, 2013]. В контуре ПК (Drive System) создаются колебания заданной амплитуды и частоты, которые поддерживаются с использованием контура обратной связи «преобразователь – усилитель» (Transducer – Amplifier). Если используется режим автогенерации, то частота колебаний совпадает с собственной частотой колебаний ИТ на УП. При наличии угловой скорости основания возникает сила Кориолиса, создающая колебания в контуре ВК (Sense System). На выходе прибора появляется модулированный сигнал, в котором ПК являются несущими колебаниями, а изменения угловой скорости – огибающими колебаниями (рис. 1.12). Далее для выделения информации об угловой скорости проводится процедура демодуляции выходного сигнала. 13 Резонансное значение коэффициента динамичности в случае, если частоты ПК и ВК совпадают, равно добротности контура ВК. 36 Рис. 1.12. Структурная схема преобразования сигнала ММГ. Амплитуда ВК или выходных колебаний пропорциональна измеряемой угловой скорости, а частота совпадает с частотой возбуждаемых ПК ИТ. Действительно, если перемещение по оси ПК представляет собой гармоническое колебание вида 1 = 1оsin ω1t, то перемещение по оси ВК в соответствии с формулой (1.2) будет 2 = 2mc2 -13V12 = 2mc2 -132ω11о cos ω1t (1.3) Таким образом, перемещение по оси ВК пропорционально измеряемой угловой скорости 3 и сдвинуто по фазе на /2 относительно перемещения по оси ПК. Существенно, что фаза ВК должна соответствовать фазе скорости ПК. Такая составляющая выходного сигнала называется синфазной составляющей. Однако, ВК представляют собой более сложные колебания и их можно разделить на две составляющие, синфазную и квадратурную, сдвинутые по фазе друг относительно друга на /2. Квадратурная составляющая ВК совпадает по фазе с перемещением ИТ по оси ПК и смещена на /2 относительно фазы действия силы Кориолиса. Квадратурная составляющая ВК создает помеху в виде квадратурного сигнала при измерении угловой скорости объекта. Возникновение квадратурного сигнала связано с неизбежными паразитными связями в электронике, с перекосами в конструкции, вызванными технологическими погрешностями положения и форм поверхностей, с взаимосвязью упругих свойств в УП. На рис. 1.13 показан один из возможных случаев, когда сила возбуждения FB действует под углом к оси ПК (например, из-за наличия перекосов в исполнительном двигателе). 37 Рис. 1.13. Возникновение квадратурного сигнала. При этом возникают колебания как по оси Х1, так и по оси Х2. ВК, вызванные силами инерции Кориолиса, происходят на частоте ПК и фаза колебаний совпадает с фазой скорости 1 . ВК, возникающие из-за перекосов, также происходят на частоте ПК, но фаза колебаний совпадает с фазой перемещения 1. Таким образом, фаза колебаний квадратурной составляющей сигнала сдвинута относительно полезной составляющей на /2. Амплитуда нескомпенсированной квадратурной составляющей может значительно превышать амплитуду полезного сигнала и ее подавление представляет значимую проблему проектирования ММГ. Для обеспечения требуемой полосы пропускания14 ММГ (в англоязычной литературе BW – bandwidth) значение собственной частоты ВК выбирается с превышением над значением собственной частоты ПК на вполне определенную величину ω (рис. 1.14, а). Требования к ширине полосы пропускания ММГ, предназначенных для использования на высокодинамичных объектах, составляют 500 Гц и более. При выборе величины разнесения частот ПК и ВК следует учитывать, что обеспечение точного значения величины ω при изготовлении не представляется возможным. Это обусловлено тем, что разность значений собственных частот ПК и ВК вызывается технологическими погрешностями изготовления УП, которые могут вызывать смещение значений частот до 10 % [Евстифеев, 2003]. Например, при номинальном значении собственной частоты 3 кГц допуск на эту величину при изготовлении составит 300 Гц, что необходимо учитывать при выборе величины ω. Для повышения чувствительности прибора к измеряемой угловой скорости необходимо увеличивать амплитуду выходных колебаний или 14 Ширина полосы пропускания определяется как разность частот участка амплитудно-частотной характеристики, на котором амплитуда колебаний снижается не более, чем на 0,707 = 1/2 от максимальной, что соответствует – 3 дБ. 38 ВК. Увеличение амплитуды ВК, пропорциональной угловой скорости Ω3, может быть осуществлено путем настройки совмещения собственных частот (иногда называют – резонансной или динамической настройки), которая заключается в том, чтобы частота возбуждаемых ПК совпадала в силу принципа автоколебаний с собственной частотой ПК 1 ИТ на упругом подвесе, а частота ВК совпадала с частотой ПК, так что разность частот равна ω = 1 – 2 = 0 и 1 = 2 = ω0 (рис. 1.14, б). а) б) Рис. 1.14. Соотношение собственных частот ПК и ВК. а) разнесенные частоты; б) совмещенные частоты При такой настройке гироскоп обладает наибольшей чувствительностью к измеряемой угловой скорости (максимальным масштабным коэффициентом или коэффициентом преобразования). Амплитуда ВК увеличивается с коэффициентом усиления равным значению добротности Q2 контура ВК, величина которой может достигать 10000-50000. Для компенсации технологических погрешностей разброса частот смещение и, в конечном счете, совмещение частот колебаний осуществляется с помощью электромеханических компонентов ММГ – различных электродов, создающих «отрицательную электрическую жесткость»15 [Кучерков, 2001]. Такие электромеханические компоненты иногда называют «электрическими пружинами». Процедура совмещения частот в англоязычной литературе называется Mode-Matching. Обеспечение устойчивого режима точной настройки со- 15 «Отрицательная электрическая жесткость» возникает при подаче постоянного электрического потенциала (напряжения смещения) на электроды. Сами электроды, обычно параллельные, расположены на ИТ (в качестве электрода может служить само ИТ) и на основании. Сила, создаваемая электродами при отклонении ИТ от положения равновесия, имеет противоположный знак относительно силы упругости, создаваемой механической жесткостью подвеса. Меняя напряжение на электродах можно таким способом изменять суммарную жесткость системы и электрическим способом регулировать собственную частоту по выбранной оси колебаний. 39 вмещения частот в условиях механических и тепловых воздействий является одним из важнейших направлений повышения точности ММГ [Ковалев, 2007; Prikhodko, 2016]. Однако при этом остаются проблемы с обеспечением быстродействия, устойчивости, полосы пропускания и пр. В случае настройки с целью совмещения частот амплитуда ВК увеличивается пропорционально величине добротности колебательной системы и коэффициент динамичности 22 равен добротности Q2 контура ВК. Учитывая, что с2 = m02, а скорость ПК V1 = 11, амплитуда ВК в случае резонансной настройки в соответствии с формулой (1.3) будет 2 231 Q2 , 0 (1.4) Из выражения (1.4) следует, что амплитуда ВК снижается в (0/2Ω3Q2) раз по сравнению с амплитудой ПК, а максимум 2 достигается при наибольших значениях параметров 1 и Q2 и минимальном значении 0. Поскольку приведенные массы или моменты инерции по осям ПК и ВК различны, для настройки на одну частоту подвес должен быть в определенном соотношении неравножестким по этим двум осям (обладать заданной анизотропией упругих характеристик). Полоса пропускания прибора с совмещенными частотами ПК и ВК определяется выражением B 0 Q2 (1.5) Из формулы (1.5) следует, что при значениях частоты 0 = 10 кГц и добротности Q2 = 10000 полоса пропускания составит всего 1 Гц, что не удовлетворяет условиям использования такого ММГ для измерения угловых скоростей подвижных объектов. Величина добротности характеризует избирательность колебательной системы – чем больше добротность, тем меньше полоса частот внешней силы, которая может вызвать интенсивные колебания в системе. При изменении рассогласования частот на ω = 5 Гц (всего 0,05% от частоты 0) коэффициент усиления ВК резко уменьшается – на 29% при Q2 = 1000 и на 90% (!) при Q2 = 10000. Отсюда чрезвычайно высокие требования к сохранению стабильности режима резонансной настройки и сложности практической реализации Mode-Matching ММГ. Сравним амплитуду вторичных колебаний по формуле (1.4) и амплитуду квадратурной составляющей 2КВ = 1. Исходя из условия 2 > 2КВ вытекает требование к перекосам в конструкции 40 23Q2 0 (1.6) При Q2 = 1000, 0 = 5 кГц (31416 рад/с), Ω3 = 0,01 /с (1,7510-4 рад/с) из (1.6) получаем допустимый перекос < 2 угл.с. Это показывает, что требования к точности геометрии конструкции очень высоки и без специальных устройств подавления квадратурной составляющей не обойтись. Правильное проектирование системы управления приборов с резонансной настройкой позволяет использовать информацию о синфазной и квадратурной составляющих и ослабить противоречие между чувствительностью прибора и его динамическими характеристиками [Северов, 2003]. Основные принципы построения ММГ с вращательными движениями ИТ в виде диска (англ. wheel gyro) подобны принципам построения роторного ВГ, в котором вращение ротора с постоянной скоростью заменено угловыми колебаниями ИТ (рис. 1.15). Рис. 1.15. Модель гироскопа с вращательными движениями ИТ. При угловых ПК ИТ вокруг оси X1 с угловой скоростью 1 создается переменный кинетический момент H = J1 1 = J111, где J1 – момент инерции ИТ по оси Х1, 1 – собственная частота ПК. При наличии угловой скорости основания Ω3 возникает гироскопический момент MС2 = J111Ω3, который приводит к угловым ВК ИТ с амплитудой 2 = Mгир c2 -1 , где c2 – угловая жесткость подвеса по оси ВК. Для получения значения амплитуды в условиях резонансной настройки учтем следующее: угловая жесткость определяется выражением c2 = J222 (J2 – момент инерции ИТ по оси Х2, 2 – собственная частота ВК); для диска имеет место соотношение J2/J1 = 2; 41 при резонансной настройке 1 = 2 = ω0. С учетом этого имеем 231 (1.7) 2 Q2 0 где Q2 – добротность контура ВК. Выражение (1.7) с точностью до обозначений совпадает с выражением (1.4), что показывает общность принципов построения конструкций. В простейшем варианте теории ММГ, основные соотношения которой приведены выше, рассмотрена работа прибора в режиме ДУС. При этом предполагается, что ПК вызывают ВК, но обратное влияние ВК на ПК отсутствует. В действительности при сближении собственных частот фактор обратного влияния может быть значителен. Существенным недостатком ММГ, работающих в режиме ДУС, является высокая температурная чувствительность, вызывающая дрейф показаний, из-за наличия двух различных мод колебаний (ПК и ВК). По мнению известного специалиста в области микромеханики A. Shkel вследствие этого создание ММГ навигационного класса точности на основе ДУС крайне затруднительно [Shkel, 2006]. В англоязычной литературе по определению стандарта IEEE Std 1431–2004 гироскопы, использующее в качестве принципа действия эффект Кориолиса, называются Coriolis Vibratory Gyroscope (CVG). Для приборов, работающих в режиме ДУС, используют наименование Angular Rate Gyroscope. В некоторых конструкциях ММГ вследствие их симметричности и изотропности свойств возможна работа прибора в режиме датчика угла, их выходной сигнал пропорционален величине угловых движений основания. При этом реализуется принцип построения свободного гироскопа, угол прецессии которого пропорционален углу поворота основания. Динамика таких приборов аналогична динамике управляемого маятника Фуко и базируется на сохранении неизменного положения плоскости вибрации ИТ относительно инерциального пространства. Описание принципов работы таких устройств можно найти в работах российских [Журавлев, 1997, 2002; Doronin, 1997; Климов, 2017] и зарубежных ученых [Trusov, 2011; Prikhodko, 2012; Gregory, 2012]. В англоязычной литературе гироскопы для измерения углов называются Whole Angle Mode Gyroscope или Rate Integrating Gyroscope. Как правило, схемы ММГ, работающие в режиме датчика угла, реализуются на основе осесимметричных и изотропных структур (полусфера, цилиндр, диск, кольцо) для обеспечения равенства частотных свойств УП и ИТ в плоскости вибрации. Кроме того, требуется обеспечение высоких значений добротности контуров ПК и ВК, что достигается использованием высокодобротных материалов и вакуумирования внутренней полости, где расположены ИТ и УП. 42 Сложности реализации принципа свободного гироскопа в микромеханическом исполнении из кремния заключаются в ключевых ограничениях технологии: планарность конструкций и относительно невысокая точность формообразования элементов. При использовании кварцевой технологии ограничений по планарности нет. На рис. 1.16 показан полусферический резонатор волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) в микромеханическом исполнении, изготовленный из плавленого кварца и имеющий добротность колебательного контура один миллион (!) [Senkal, 2015]. Рис. 1.16. Полусферический резонатор из кварца с добротностью 106. Как отмечалось выше, для повышения чувствительности ММГ его параметры выбирают таким образом, чтобы частота вынужденных колебаний по координате ПК совпадала с частотой собственных колебаний УП (в режиме автоколебаний) и частота ВК была также близка к частоте вынужденных колебаний. В этом случае осуществляется динамическая настройка прибора на резонанс и происходит усиление выходного сигнала пропорционально значениям добротности. Для усиления амплитуды ВК и, соответственно, амплитуды выходного сигнала в конструкции используют высокодобротные материалы, обладающие низкими внутренними потерями энергии при деформировании. Значительное снижение внешних потерь достигается вакуумированием корпуса ММГ. Возбуждение ПК в режиме автоколебаний позволяет достичь максимальной амплитуды ПК при минимальной силе возбуждения FВ и, соответственно, при наименьшем электрическом напряжении на двигателе. Усиление амплитуды достигается за счет добротности контура ПК, значение которой может достигать 100000 и более. Однако, использование принципа автогенерации, вообще говоря, необязательно. Возможно создание ПК практически на любой частоте с использованием внешнего опорного генератора. Это дает более устойчивые ПК и создает широкие возможности для подстройки частот ПК и ВК. Для реализации такого режима необходимо значительное повышение электрического напряжения возбуждения. Например, в технической спецификации 43 гироскопа ADXRS646 фирмы Analog Devices указано, что для работы осцилляторов необходимо напряжение 21 В при номинальном напряжении питания на приборе 6 В. В большинстве ММГ измерение параметров и возбуждение колебаний осуществляется электростатическими датчиками положения и силовыми устройствами. В ряде конструкций применяются электромагнитные способы возбуждения колебаний и съема сигнала. В некоторых разработках при создании измерительного и исполнительного датчиков используется пъезокерамика. Следует отметить конструктивный недостаток ММГ по сравнению с лазерными или волоконно-оптическими гироскопами. Этот недостаток обусловлен принципом построения и заключается в наличии подвижной вибрирующей части и упругого подвеса. В результате постоянной циклической нагрузки, вызывающей механические напряжения близкие к пределу прочности, могут происходить деградационные изменения состояния материала, появление микротрещин и отказ, нарушение работоспособности прибора. Для обеспечения максимальной чувствительности ММГ или большого масштабного коэффициента, определяемого отношением измеряемой амплитуды вторичных (выходных) колебаний к измеряемой угловой скорости основания, необходимы следующие условия: амплитуда ПК ИТ должна быть максимальной, для чего частота возбуждающей силы должна совпадать с частотой собственных первичных колебаний ИТ в упругом подвесе, что реализуется при автоколебаниях; собственная частота ВК колебаний должна совпадать с частотой ПК или быть максимально близкой к ней (режим совмещения частот или резонансная настройка); целесообразно снижение собственных частот ПК и ВК, но за установленным верхним пределом частот вибраций при испытаниях; добротности обоих контуров колебаний должны быть максимальными; упругий подвес ИТ должен обладать существенной, вполне определенной анизотропией упругих характеристик (жесткостей), при этом высшие собственные частоты различных форм колебаний должны быть удалены от основных и должны значительно превышать частоты ПК и ВК. Из требования к максимальной чувствительности ММГ вытекает необходимость создания высокодобротных низкочастотных осцилляторов, что в определенной степени входит в противоречие с обеспечением быстродействия, широкой полосы пропускания и виброустойчивости прибора. Разрешение этого противоречия частично возможно за счет оптимизации соответствующей системы управления. 44 1.5. База знаний при проектировании Основу для построения базы знаний при проектировании ММГ составляют знания предметной области и, в первую очередь, знания по теории гироскопов. Без этих знаний, представляющих собой фундамент для разработки гироскопических устройств, заниматься проектированием, тем более интеллектуальным, таких специфичных приборов как ММГ сложно. В настоящее время существует большое количество отечественной и зарубежной литературы, в том числе учебной, посвященной вопросам теории и проектирования микрогироскопов. Достаточно отметить, что поисковая система Google на запрос «микромеханический гироскоп» дает около 20000 результатов, а на запрос «micromechanical gyroscope» – более 145000. Сайт Google Patents на запрос «micromechanical gyroscope» дает около 3900 результатов, что свидетельствует об активной изобретательской деятельности в этой области. Понятно, что изучить столько информации не представляется возможным. Для получения базовых знаний в первую очередь рекомендуется обратить внимание на отечественные учебники [Распопов, 2007; Лукьянов, 2015; Джашитов, 2015] и, при возможности, на зарубежные монографии [Acar, 2009; Armenise, 2010; Kempe, 2011; Apostolyuk, 2016] База знаний может быть условно классифицирована на следующие виды основных баз – база компонентов, база технических наук, база процедур, база целей (рис. 1.17). Рис. 1.17. База знаний ММГ. В традиционном понимании за базу данных в САПР понимают базу компонентов, содержащую информацию о массогабаритных характеристиках и физических свойствах, присоединительных размерах, примерах записи элементов в конструкторской документации и прочее [Никулин, 2006]. Без наличия трех других основных баз вся интеллектуальная нагрузка при проектировании ММГ ложится на плечи инженера или ученого, которому приходится формировать или создавать требуемые базы процедур и/или методик, формулируя поставленные проектные цели на основе имеющихся у него научных познаний. При этом роль ЭС выполняют старшие коллеги или научный руководитель. 45 1.5.1. База компонентов ММГ – сложное электромеханическое устройство, которое содержит как унифицированные или стандартизованные компоненты, так и оригинальные компоненты, которые делают конструкцию уникальной. В общем случае конструкция ММГ выполняется в соответствии со схемой, приведенной на рис. 1.18,а. а) б) Рис. 1.18. Принципиальная схема (а) и конструкция ЧЭ ММГ (б). МЧ – механическая часть, ЭЧ – электрическая часть, ЧЭ – чувствительный элемент, ПП – печатная плата. Конструкция ММГ состоит из микросхемы механической части (МЧ), в которой располагается основная часть прибора, и микросхемы электрической части (ЭЧ), которая представляет собой специализированную интегральную микросхему для обработки выходного сигнала и реализации заданного алгоритма функционирования МЧ. В англоязычной литературе первая микросхема называется Mechanical Structure или просто чип (chip, die), вторая – ASIC (Application Specific Integrated Circuit). В типовом случае МЧ содержит механические компоненты: колеблющееся ИТ в виде пластины или диска, связь которого с местом закрепления на основании микросхемы осуществляется через упругий подвес (УП). Система «ИТ на УП» представляет собой гармонический осциллятор. В МЧ имеются электроды (электромеханические компоненты), с помощью которых обеспечиваются вынужденные колебания ИТ и определение его перемещений в соответствии с принципом работы осцилляторных вибрационных гироскопов. МЧ через выходные контакты с помощью тонких электрических проводников связана с ЭЧ. Обе эти микросхемы помещаются в стандартный керамический корпус, внутри которого ЭЧ проводниками разваривается на выходные контакты корпуса (рис. 1.18,б). Корпус закрывается крышкой, которая обеспечивает герметичность внутреннего 46 объема. Корпус с расположенными внутри МЧ и ЭЧ называется чувствительным элементом (ЧЭ) ММГ. В некоторых конструкциях при наличии соответствующей технологии удается интегрировать друг с другом МЧ и ЭЧ и получить единую микросхему, которая называется «система на кристалле» (англ. System-on-a-Chip, SoC). Это позволяет создать чрезвычайно малогабаритные конструкции. Корпус ЧЭ распаивается на печатной плате (ПП), на которой располагаются пассивные элементы (резисторы и конденсаторы), входные и выходные фильтры, электрические контакты для обеспечения работы гироскопа и его взаимодействия с модулем, в которой он используется в качестве датчика угловой скорости. Для серийных ММГ элементы, которые должны быть размещены на ПП и необходимы для нормального функционирования прибора, указываются в технической спецификации (datasheet). Оригинальными компонентами ММГ, как правило, являются составляющие ЧЭ, остальные компоненты являются стандартизованными для микроэлектронной промышленности. На основе информации о стандартизованных и оригинальных компонентах формируется база компонентов, которая используется при разработке конструкции гироскопа (рис. 1.19). Рис. 1.19. База компонентов. 47 База компонентов представляет собой базу данных, содержащую различные сведения о следующих компонентах: механические компоненты (упругие подвесы, инерционные тела, стопоры, арретиры, опоры); электромеханические компоненты (исполнительные и индикаторные устройства в виде гребенчатых или плоских электродных структур); электрические компоненты (усилители, преобразователи, модуляторы, генераторы, нагреватели, специализированные микросхемы и пр.). Кроме перечисленных компонентов в состав микромеханических гироскопов могут входить и другие компоненты, такие как корпуса для герметизации ЧЭ, экраны для защиты от внешних воздействий (магнитных, тепловых, акустических), упругие или демпфирующие прокладки, выполняющие роль виброгасителей, геттер16 и прочие. База компонентов содержит сведения данные о массе, габаритах, положении центра, масс, принципах работы и использовании, требования к установке, характеристики и параметры электрических цепей и многое другое. В базе электрических компонентов эти сведения дополняются условно-графическим обозначением элемента (транзистора, микросхемы и пр.) для создания электрических схем и изображением конфигурации посадочного места для размещения на печатной плате. Основными элементами устройств микромеханики являются механические компоненты (элементы УП и ИТ), электромеханические компоненты (гребенчатые структуры электростатических двигателей, электростатические датчики угла и устройства задания сил и моментов), электрические компоненты (источники питания, усилители, модуляторы, демодуляторы, фильтры и другие электронные блоки или модули системы управления). Из универсальных, стандартных элементов можно сформировать специализированную базу компонентов, использование которой значительно ускорит процесс проектирования ММГ для различных применений. В базу компонентов включаются модель динамики и идеализированная эквивалентная схема элемента, что позволяет уменьшить требования к аппаратным ресурсам компьютера и сократить время при моделировании работы ММГ. Пример библиотеки стандартных компонентов как составной части базы компонентов представлен на рис. 1.20. 16 Геттер представляет собой вещество, размещаемое во внутренней полости ЧЭ, там где располагаются ИТ и УП, и поглощающее остатки газов. Во внутренней полости удаляется воздух и должен сохраняться вакуум с целью обеспечения высокой добротности колебательных контуров. Высокая добротность необходима для повышения чувствительности прибора к измеряемой угловой скорости. 48 Рис. 1.20. Библиотеки стандартных компонентов ММГ. При проектировании ММГ с использованием библиотеки стандартных компонентов используют метод декомпозиции, суть которого заключается в том, что каждый упругий элемент подвеса и каждое электрическое устройство могут быть разбиты на элементарные составляющие, механические и иные свойства которых могут быть описаны аналитически. Смысл компоновки проектируемого изделия заключается в выборе подходящего библиотечного элемента и в определении граничных условий их взаимосвязи. Например, для упругого стержня подвеса необходимо задать геометрические параметры и ограничения на степени свободы его концов (поступательные и вращательные), для компонентов типа «гребенки» следует задать геометрические и электрические параметры взаимодействия с остальными элементами конструкции, зазоры и т.д. Получение требуемого соединения элементов или модулей осуществляется путем стыковки, соединения, сопряжения в определенных узловых точках. 49 В большинстве конструкций электростатические силовые устройства выполнены в виде гребенчатых двигателей (рис. 1.21). Гребенчатый двигатель (англ. comb-drive) состоит из ряда прямоугольных зубцов, половина которых расположена на подвижной части, связанной с основанием через упругий подвес, а другая половина (в зонах между зубцами первой половины) – на неподвижной части, непосредственно связанной с основанием. В случае возбуждения вращательного движения зубцы в плане (в плоскости ИТ) выполняются в виде дуг окружностей. Рис. 1.21. Гребенчатый электростатический двигатель. Зубцы размещены с перекрытием по длинной стороне для создания требуемой емкости и уменьшения влияния краевых эффектов. Преимущество гребенчатых двигателей состоит в создании силы возбуждения FВ вдоль длинной стороны зубцов, не изменяющейся при перемещении в этом направлении. Аналогичные гребенчатые структуры используются в конструкциях ММГ для создания емкостных датчиков перемещений ИТ при первичных и вторичных колебаниях. В первом случае движение ИТ происходит вдоль длинной стороны зубцов и емкость изменяется вследствие изменения перекрытия (при этом сила не изменяется), во втором случае движение происходит в поперечном направлении и емкость меняется вследствие изменения зазора между подвижными и неподвижными зубцами (при этом сила изменяется). Таким образом, типовая конструкция ММГ содержит следующие компоненты: ИТ, закрепленное на основании с помощью УП. Колебания ИТ могут быть поступательными или вращательными (угловыми); индикаторные устройства (датчики перемещений, сенсоры, преобразователи) для измерения перемещений ИТ; исполнительные устройства (двигатели, приводы, актуаторы) для управления движением ИТ; специализированная микросхема ASIC. 50 1.5.2. База технических наук Содержание базы технических наук (рис. 1.22) основывается на законах и различных сведениях из разделов фундаментальных наук, таких как физика, математика, механика, химия и т.д. Рис. 1.22. База технических наук. Вследствие того, что ММГ являются наукоемкими приборами, в базе должны содержаться сведения по широкому спектру прикладных дисциплин, в число которых входят: теоретическая механика, теория машин и механизмов, теория гироскопических устройств, теория упругости, сопротивление материалов, физические свойства материалов, теория автоматического управления, электротехника и пр. В зависимости от структуры проектируемого ММГ требуется использование различных областей базы технических наук. При проектировании таких устройств для анализа создаваемых конструкций требуются глубокие познания в теоретической механике и теории гироскопов. Это позволяет получить уравнения динамики гироскопа и исследовать полученные выражения для предсказания будущих характери51 стик прибора. При разумном упрощении уравнений динамики возможно получение аналитических выражений, адекватно описывающих зависимости параметров прибора. При исследовании полной системы уравнений обычно используют численные методы решения, реализуемые в компьютерных программах типа MATLAB и MathCAD. В то же время проектирование ММГ, построенного по принципу волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) [Филатов, 2006] и использующего физический эффект Саньяка17, который заключается в появлении фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом световоде, и используемого в режиме ДУС, требует, в основном, знаний в области физической оптики и лазерной техники. Знания в теоретической механике, сопротивлении материалов и теории гироскопов при проектировании такого прибора становятся менее значимыми. В любом случае при интеллектуальном проектировании ММГ знания в области технологии приборостроения и особенно микроэлектронной промышленности, являются очень важными. 1.5.3. База процедур База процедур (рис. 1.23) содержит используемые в данной области, а именно при проектировании ММГ, алгоритмы, методы и методики. Это позволяет применять отработанные комплексные процедуры проектирования ММГ, построенных на различных физических принципах. Сочетание традиционных алгоритмов анализа и синтеза параметров, а также использование виртуального инструментария позволяет добиваться положительных результатов проектирования в минимальные сроки и при минимальной стоимости. Быстрое развитие ММГ невозможно без применения использования ИСАПР, составной частью которой являются современные методы анализа. Для расчета и проектирования упругих характеристик ММГ широко используется компьютерное моделирование конструкции на основе конечно-элементного анализа (КЭА) или FEM анализа (Finite Element Modeling). Использование КЭА позволяет существенно сократить время разработки и расчета новых вариантов конструкций. 17 Жорж Саньяк (1869-1928) – французский физик, открывший эффект названный его именем. Эффект Саньяка лежит в основе современных представлений интерферометрии и состоит в появлении фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Величина этого сдвига прямо пропорциональна угловой скорости вращения интерферометра. 52 Рис. 1.23. База процедур. В настоящее время существует большое количество компьютерных программ, которые позволяют проводить расчеты и анализировать конструкции большой сложности. Среди программ универсального назначения необходимо отметить программу ANSYS, занимающую лидирующие положение на рынке пакетов КЭА. Разработаны специализированные программы, предназначенные для проектирования микромеханических устройств, такие как MEMCAD, MEMS Pro, COVENTOR. Конструкция ММГ может быть проанализирована с использованием программы MECHANICA, входящей в состав программы CREO (ранее Pro/Engineer) фирмы Parametric Technology. Основными преимуществами КЭА по сравнению с аналитическими методами исследования конструкций можно назвать универсальность (решение задач любой сложности), многодисциплинарность (решение мультифизических задач), скорость (использование высокопроизводительной компьютерной техники) и наглядность результатов (качественные средства визуализации). Методика проектирования конструкции МЧ ММГ с использованием КЭА, как составная часть базы процедур, включает следующие основные этапы: 1. Разработка вариантов планарной или многослойной конструкции. На этом этапе разрабатываются варианты принципиального построения ИТ ММГ, выбираются количество и форма упругих элементов, расположение дополнительных элементов и т.д. 2. Определение собственных частот. Расчет проводится методом КЭА с целью определения собственных частот и форм свободных колебаний конструкции. 53 3. Подбор параметров. Производится подбор параметров упругого подвеса для обеспечения требуемого соотношения первых двух собственных частот, при этом остальные собственные частоты были бы значительно больше первых двух. 4. Определение характеристик конструкции. Для полученной конструкции определяется амплитудно-частотная характеристика для колебаний ИТ, максимальные механические напряжения в сечениях конструкции, кинетический момент. 5. Варьирование геометрических размеров. Изменение геометрических размеров конструкции с целью выявления параметров, имеющих наибольшее влияние на собственные частоты. При изменении одного из геометрических параметров конструкции остальные принимаются постоянными и проводится оценка соответствующих изменений собственных частот. 6. Оптимизация полученных данных. Проводится оптимизация конструкции с целью уменьшения возникающих механических напряжений в сечениях, изменения амплитудно-частотной характеристики и т.д. 7. Расчет вибрационной и ударной прочности конструкции. Определение механических напряжений в конструкции при ударных импульсных воздействиях. Здесь же может проводиться расчет на устойчивость к тепловым и вибрационным воздействиям. 8. Выбор наиболее приемлемого варианта конструкции. По полученным данным расчетов проводится сравнение различных конструкций и выбор подходящего варианта конструкции, при этом учитываются результаты предыдущих анализов и оптимизаций. В случае необходимости процесс итерационно повторяют, добиваясь достижения требуемых параметров конструкций и целей проектирования. 1.5.4. База целей База целей (рис. 1.24) определяет критерии проектирования и следует из задач, поставленных перед разработчиками прибора, а часто – из технического задания на разработку прибора. Общие задачи базы целей для всего прибора в целом на качественных уровнях можно определить следующими требованиями: малые массогабаритные характеристики; незначительное энергопотребление; низкая стоимость; требуемая точность при любых условиях эксплуатации; устойчивость к внешним воздействиям; интеграция с электронными компонентами. 54 Рис. 1.24. База целей проектирования ММГ. Обычно в техническом задании на проектирование задаются требуемые количественные значения указанных требований, как параметров будущих изделий. Интеллектуальное проектирование ММГ наряду с проблемами получения аналитических оценок чувствительности, линейности, дрейфа, динамических погрешностей разрабатываемого прибора, создания систем управления и электронных компонентов для измерения сверхмалых перемещений и электрических емкостей (на уровне единиц фемтофарад) выдвигает новые проблемы конструкторско-технологического характера. К ним относятся следующие целевые показатели: обеспечение требуемых значений параметров (диапазон измерений, статические и динамические погрешности, массогабаритные характеристики, энергопотребление, стойкость к внешним воздействиям и пр.); обеспечение формы (конфигураций ИТ и УП с учетом специфики кинематики – вращательных или поступательных движений, обеспечение условий получения требуемых форм собственных или вынужденных колебаний ИТ); обеспечение состояния элементов конструкции в процессе эксплуатации (выбор расчетной схемы, адекватно описывающей упругие характеристики подвеса и его напряженно-деформированное состояние, подбор материалов с необходимыми физическими характеристиками, поиск способов уменьшения влияния технологических, температурных и иных факторов на точность и стабильность характеристик приборов); 55 обеспечение соотношений и оптимальных значений параметров (параметрическая оптимизация конструкции, обеспечивающая требуемые соотношения между собственными частотами колебательной системы). Иногда таких критериев может быть несколько, например минимизация массы и соотношение собственных частот. В этих случаях часто целесообразно подбирать комплексные критерии, включающие несколько частных критериев, и по ним осуществлять оптимизацию. В любом случае, кроме перечисления требуемых целей, база целей проектирования содержит сведения о путях достижения этих целей, исходя из опыта проектирования и рекомендаций ЭС, и имеет тесную взаимосвязь с базой процедур. 1.6. Экспертные системы в интеллектуальных САПР Одним из основных элементов ИСАПР является ЭС, наличие которой позволяет формировать интеллектуальное внутреннее ядро системы. Под ЭС обычно понимают вычислительную систему, использующую знания экспертов, процедур логического вывода, сопоставлений вариантов и пр. для решения проблем, которые требуют проведения содержательного анализа, экспертизы и позволяют дать объяснение полученным результатам [Никулин, 2015; Телков, 2007]. ЭС обладает способностями к накоплению знаний, выдаче рекомендаций, интерпретации и объяснению полученных результатов, возможностями модификации правил, подсказки пропущенных экспертом условий, управления целью или данными. Исходные данные, естественно, поступают от опытных проектировщиков и экспертов. В традиционных САПР функции экспертной системы возлагаются на плечи эксперта в предметной области (ими, как правило, являются ведущие специалисты предприятий), и только на стадии создании системы. В соответствии с электронной энциклопедией Википедия (http://ru.wikipedia.org) ЭС это компьютерная программа, способная частично заменить специалиста-эксперта в разрешении проблемной ситуации. Современные ЭС начали разрабатываться исследователями искусственного интеллекта в 1970-х годах, а в 1980-х получили коммерческое подкрепление. В информатике ЭС рассматриваются совместно с базами знаний как модели поведения экспертов в определенной области знаний с использованием процедур логического вывода и принятия решений, а базы знаний — как совокупность фактов и правил логического вывода в выбранной предметной области деятельности. Отметим следующие важнейшие особенности ЭС. Первая особенность ЭС состоит в том, что они ориентированы на пользователей, а не на программистов. Общение с ЭС должно быть содержательным, предметным. Эту функцию выполняет блок интеллектуального интерфейса, который обеспечивает диалог с пользователем на привычном языке. В состав интеллектуального интерфейса могут входить средства визуализации, с 56 помощью которых на экране дисплея создаются трехмерные модели, чертежи, схемы, рисунки, допускается анимация. Типичный диалог строится в режиме «вопрос-ответ». Поддерживать диалог с пользователем ЭС помогает схема управления диалогом. Специфическим именно для ЭС является наличие блока объяснений. При создании ЭС наиболее трудоемким этапом является заполнение базы знаний сведениями, нужными для функционирования ИСАПР. Развитые ЭС отличают следующие атрибуты: унифицированные формы сохранения данных и знаний, интеллектуальность, простота интерфейса общения с компьютером при использовании различного программного обеспечения, возможность наращивания модулей, способность интеграции данных в различных формах, способность гибкого принятия решений в многокритериальных задачах при дополнительных ограничениях, возможность работы в реальном времени, четкая организация документооборота, возможность обеспечения конфиденциальности и требуемых ограничений доступа, способность объяснения и комментирования процессов решения и результатов. ЭС можно ориентировать на эффективное решение трудно формализуемых задач. С помощью ЭС специалисты, не владеющие сложными компьютерными технологиями, могут самостоятельно разрабатывать интересующие их приложения. Опыт показывает, что грамотное построенные ЭС при решении практических задач в некоторых областях успешно конкурируют с группами экспертов, а иногда и превосходят их, по крайней мере, по экономии временных ресурсов. При правильной организации оказывается результативной совместная работа Экспертов и ЭС. Похожие действия выполняет такой программный инструмент как «Мастер» (Wizard). Мастера применяются как в системных, так и в прикладных программах для упрощения интерактивного общения с пользователем (например, при установке программного обеспечения). Главное отличие примитивных «мастеров» от ЭС – отсутствие базы знаний, т.е. все действия жестко запрограммированы. Это просто набор форм для заполнения пользователем. Другие подобные программы – поисковые или справочные (энциклопедические) системы. По запросу пользователя они предоставляют наиболее подходящие (релевантные) разделы базы статей (представления об объектах областей знаний, их виртуальную модель). По этому принципу работает большинство веб-обозревателей. Структура ЭС ИСАПР представляет следующие блоки (рис. 1.25): пользователь, интеллектуальный интерфейс, база знаний ЭС, интеллектуальный редактор базы знаний, эксперт, решатель (механизм вывода), механизм объяснений. Три блока (база знаний + редактор + эсперт) представляют собой механизм приобретения знаний. 57 Рис. 1.25. Структура ЭС. База знаний ЭС состоит из правил анализа информации от пользователя по конкретной проблеме. ЭС анализирует ситуацию и, в зависимости от направленности ЭС, дает рекомендации по разрешению проблемы. Как правило, база знаний ЭС содержит сведения о предметах, фактах, событиях и процессах из определенной предметной области и правила – набор инструкций, применяя которые к известным фактам можно получать новые факты. Обычно факты в базе знаний описывают те объекты и явления, которые являются инвариантными, постоянными для данной предметной области. Характеристики и параметры, значения которых зависят от условий конкретной задачи, ЭС получает от пользователя в процессе работы, и сохраняет их в рабочей памяти. База знаний ЭС создается силами специалистов трех групп: экспертов той проблемной области, к которой относятся задачи, решаемые ЭС; специалистов по разработке интеллектуальных информационных систем; программистов, осуществляющих программную реализацию ЭС. В ЭС должно быть предусмотрено и обеспечено функционирование в двух режимах. 1. Режим ввода знаний. В этом режиме эксперт с помощью инженера по знаниям вводит известные ему необходимые сведения о предметной области в базу знаний ЭС. 58 2. Режим консультации. В этом режиме пользователь ведет диалог с ЭС, сообщая ей сведения о текущей задаче и получая рекомендации ЭС. В зависимости от решаемых задач в ЭС могут реализовываться следующие выполняемые функции и состояния: интерпретация данных, диагностирование, мониторинг, проектирование, прогнозирование, сводное планирование, обучение, управление, ремонт, отладка. К наиболее известным ЭС относятся CLIPS, OpenCyc, WolframAlpha. В рамках современных ИСАПР интегрируются различные процедуры решения задач на разных этапах и уровнях проектирования, обеспечивается непрерывный сквозной цикл автоматизированного проектирования, начиная от этапа подготовки технического задания и кончая созданием рабочего и технического проектов. Автоматизируются как четко формализованные, так и эвристические и творческие задачи, в частности, процедуры поискового конструирования, структурного синтеза и оптимизации. Процедуры и приемы, которыми пользуется человек при решении часто встречающихся задач (их относят к категории эвристических) могут оказаться эффективными, в ИСАПР после алгоритмизации они находят широкое применение. Взаимодействие с ИСАПР помогает разработчикам поддерживать высокие уровни проработки и интенсифицировать творческую активность, повышает качество и производительность труда проектировщиков различных категорий, помогая сохранять и тиражировать уникальный проектный (экспертный) опыт, строить и поддерживать высокоинтеллектуальный интерфейс между проектировщиком и системой. В результате повышается уровень качества проектируемых объектов, так как увеличивается число просматриваемых вариантов, из которых осуществляется выбор, и углубляется степень их проработки. 1.7. Средства проектирования микромеханических гироскопов 1.7.1. Процесс проектирования Создание приборов новых классов, освоение принципиально новых для приборостроения технологий изготовления, в частности микроэлектронных технологий, привело к появлению целого нового класса инерциальных чувствительных элементов (ИЧЭ), таких как ММГ и микромеханические акселерометры (ММА). Для сокращения времени и стоимости разработки новых ИЧЭ потребовалось развитие интеллектуальных методов проектирования и создание ИСАПР, имеющих развитые базы данных. Наиболее быстро эволюционирующим в части конструктивных решений и технологий среди современных ИЧЭ является ММГ. Разработка ММГ требует привлечения специальных средств, прежде всего компьютерных, для проектирования, быстрого прототипирования и отработки конструкции и системы управления ММГ. 59 Сложности проектирования ИЧЭ во многом связаны с необходимостью исследования на математических моделях, а затем при испытаниях явлений различной физической природы для оптимизации конструкции, обеспечивающей сохранение формы, размеров, коэффициентов упругости с учетом механических и теплофизических факторов. Причем исследования необходимо проводить как для каждой характеристики отдельно, так и с учетом взаимосвязи явлений различной физической природы. Рассмотрение ИЧЭ как электромеханической системы автоматического управления выдвигает дополнительные требования, как к конструкции прибора, так и к сервисной электронике устройства. При проектировании ММГ, как разновидности ИЧЭ, требуется рассчитывать и в случае необходимости изменять механические характеристики и одновременно проектировать систему управления. В ходе этого процесса приходится учитывать требования и специфику используемой технологии микроэлектроники. Разработка системы управления включает в себя проектирование разводки электрической схемы, которая изготавливается одновременно с изготовлением конструкции ММГ и является ее неотъемлемой частью. Обобщенный процесс проектирования ИЧЭ на примере ММГ можно представить в следующем виде (рис. 1.26). Рис. 1.26. Процесс проектирования микромеханического ИЧЭ. Процесс проектирования требует решения различных задач, таких как: анализ структурных схем, моделирование напряженнодеформированного состояния конструкции, определение частотных характеристик (как колебательной системы), анализ и синтез систем автоматического управления, моделирование и параметрическая оптимизация электрических схем, анализ тепловых процессов, разработка технологического процесса, разработка чертежей конструкции и технологических масок для 60 изготовления. Все эти процессы должны быть выполнены комплексно с широким использованием ИСАПР, использующей базу знаний. Наиболее ярко это проявляется на примере последних разработок ММГ. Для разработки микромеханических приборов используют специально разработанные ИСАПР. Метод декомпозиции с использованием базы компонентов значительно ускоряет процесс проектирования ММГ для различных применений. Все элементы ММГ из базы компонентов, как правило, являются универсальными или типовыми и применяются также в других ИЧЭ. Специфическим является только сочетание этих элементов, которое делает ММГ уникальным устройством в числе ИЧЭ. В базу знаний также включаются модель динамики и идеализированная эквивалентная схема элемента, что позволяет снижать уровни требований к аппаратным ресурсам компьютера и сократить время при моделировании работы ММГ. Пример структурной схемы ММГ, составленной из библиотечных компонентов, представлен на рис. 1.27. Рис. 1.27. Структурная схема ММГ из библиотечных компонентов. На схеме конструктивные элементы ММГ представлены в виде эквивалентных моделей стандартизованных компонентов, которые работают под управлением эквивалентных элементов системы управления. Напри61 мер, упругий элемент условно представлен в виде прямоугольника, у которого на концах имеется по шесть выводов. Каждый из выводов означает степень свободы – три поступательных и три вращательных. В зависимости от закрепления и соединения с ИТ и основанием степени свободы ограничиваются вплоть до неподвижного состояния. Сам упругий элемент имеет геометрические размеры и массу, а его упругие характеристики описываются с помощью известных аналитических выражений. Аналогично изображаются и другие механические компоненты. Электромеханические компоненты типа «гребенка», кроме механических закреплений, имеют электрические соединения с элементами системы управления. Анализ подобной структурной схемы позволяет уже на этапе предварительной проработки конструкции прогнозировать и оценивать выходные характеристики ММГ. Использование метода декомпозиции позволяет параллельно проектировать конструкцию и систему управления ММГ. 1.7.2. Универсальные средства проектирования Развитие новых технологических процессов и средств автоматизированного проектирования позволяет существенно уменьшать время создания и изготовления образцов ИЧЭ. В настоящее время предлагается широкий спектр универсальных программных пакетов, решающих отдельные формализованные задачи моделирования и анализа практически любого объекта на любом этапе проектирования. Некоторые из универсальных программ приведены ниже [Евстифеев, 2004а; Селяков, 2011]: исследование эквивалентной структурной схемы: MATLAB, MathCAD, Avant, CADENCE, SMASH, Mentor Graphics; создание и исследование электрической схемы: P-CAD, OrCAD, Altium Designer, CADENCE, CoWare, SMASH, INNOVEDA, Mentor Graphics, SYNOPSYS, Tanner EDA; разработка конструкции любой сложности: Autodesk Inventor, Creo (ранее Pro/Engineer), NX (ранее Unigraphics), SolidWorks; Компас; исследование напряженно-деформированного состояния на основе конечно-элементной модели и исследование поведения на основе кинематического анализа: MECHANICA (Creo), ANSYS, NASTRAN, Cosmos, ABAQUS, Adams, COMSOL. Несомненным достоинством универсальных компьютерных программ является большая доступность таких программ. Универсальные программы, как правило, широко известны, имеют авторизованную поддержку, методика работы с ними давно отработана и включена в учебный процесс в университетах, а во многих организациях накоплен значительный опыт их использования. Результаты, получаемые с помощью таких программ, не вызывают сомнений, по крайней мере, когда правильна формализация исходных прикладных задач. С другой стороны, хорошо, что 62 проектировщик ММГ имеет возможность выбирать из широкого спектра универсальных программ ту, которой умеет пользоваться, и не тратит время на освоение нового для себя программного продукта. Для комплексной разработки ИЧЭ требуется многоцелевой программный продукт или цепочка программ, позволяющих оценивать механические, электрические, магнитные, тепловые характеристики, а также разрабатывать сервисную электронику. Опыт показывает, что одной из возможных цепочек проектирования ММГ может быть следующая: MATLAB – Creo – ANSYS. Программа MATLAB широко распространена в России, имеет широкую дилерскую сеть и квалифицированную техническую поддержку. Среди ее преимуществ можно выделить наличие большой библиотеки стандартных элементов математических моделей, предоставление возможности проведения расчетов для последующего анализа кинематики и динамики линейных и нелинейных систем в непрерывном и дискретном времени, выполнение анализа динамических систем. Однако процедуры процессов трансформации реальной задачи в математическую модель в этой программе отсутствуют. Программа Creo совместно со встроенным модулем конечноэлементного и кинематического анализа MECHANICA используется на российских предприятиях при выборе и коррекции форм деталей изделий и позволяет быстро оптимизировать конструкцию по критериям стойкости, прочности и точности с учетом технологических погрешностей. Однако с помощью модуля MECHANICA невозможно решать задачи, относящиеся к другим разделам физики, например, проводить расчеты напряженностей электромагнитных полей. Такие вопросы входят в круг задач, решаемых программой ANSYS, которая является одним из лидеров среди программ конечно-элементного анализа и позиционируется разработчиками, в том числе, как программа для исследования микромеханических систем. ANSYS позволяет проводить, в частности, статический, модальный, гармонический анализы, оценивать влияние на работу конструкций явлений ползучести и пластичности, проводить анализ контактных взаимодействий в сопряжениях с учетом трения и нагрева; определять запасы устойчивости систем с обратными связями и в случае необходимости предлагать средства коррекции, строить переходные процессы, амплитудно- и фазочастотные характеристики, в том числе с учетом нелинейных свойств элементов электрических цепей и материалов, из которых они выполнены; строить распределения напряженностей электростатического и магнитостатического полей и многое другое. 1.7.3. Специализированные средства проектирования Несмотря на положительные стороны универсальных программных пакетов, при их использовании трудно комплексно решать вопросы проек63 тирования систем управления совместно с исследованиями в области механики и электроники. При использовании универсальных программ возникают хотя и преодолимые, но нетривиальные проблемы трансляции полученных результатов из одной программы в другую и интерпретации промежуточных и окончательных результатов. Успешное решение этих вопросов возможно только при использовании специализированных программ проектирования микромеханических датчиков, учитывающих, в том числе, вопросы разработки ММГ. Среди таких программ следует выделить MEMScaP и COVENTOR. На рис. 1.28 представлена структурная схема MEMScaP. Рис. 1.28. Схема взаимодействия между модулями MEMScaP. Специализированные программы включают в себя обширные базы данных компонентов и строятся по модульному принципу, при котором каждый модуль отвечает за свой этап проектирования ММГ. Специализированная программа берет на себя функции подготовки и интеграции данных, а для расчета и моделирования конструкции или электрической схемы ММГ могут быть использованы модули какой-либо универсальной программы. Так программа MEMScaP использует ANSYS и Tanner L-Edit, а программа COVENTOR использует расчетный модуль пакета Avant– Saber. Преимуществом такого подхода является экономия временных затрат на разработку и отладку программного продукта. 64 Процесс проектирования микромеханического ИЧЭ начинается с выбора стандартных элементов из базы компонентов и составления из них структурной схемы будущего устройства. Переход к созданию конструкции и техпроцесса изготовления происходит после отработки и оптимизации функциональной схемы. Существует ряд программ, представляющих собой специализированные САПР, которые позволяют проводить расчет конкретного типа устройств, начиная с расчета конструктивных параметров, до моделирования работы прибора, как динамической системы. В области проектирования МЭМС одной из таких программ является САПР COVENTOR. Для проведения всех видов проектирования COVENTOR содержит 3 основных расчетных модуля – Designer, Analyzer и Architect (рис. 1.29). Библиотека стандартных элементов SYSTEM BUILDER Преобразование констр укции в макро-модель и создание системы упр авления ARCHITECT Создание функциональной схемы, р азмещение компонентов, анализ работо спо собно сти и оптимизация по заданным критериям DESIGNER Построение планарной и объемной модели по функциональной схем е с уч етом техпроцесса и свойств материалов, со здание чертежей масок ANALYZER Конечно-элементный анализ конструкции. Учет тепловых, элек тромагнитных по лей и механич еских деформаций Техпроцесс GDSII, CIF Рис. 1.29. Схема взаимодействия между модулями COVENTOR. Пакет программ COVENTOR представляет собой набор модулей для решения задач как нисходящего, так и восходящего проектирования. В первом случае проектирование начинается с описания конструкции и завершается моделированием динамической системы. Во втором – сначала моделируется работа прибора на системном уровне, а затем проводятся необходимые расчеты для получения требуемых свойств проектируемого прибора. Подробное описание программы COVENTOR можно найти в работах [Ковалев, 2005; Певцов, 2016]. 65 Модуль Architect предназначен для моделирования динамических систем и содержит базу данных электромеханических элементов, позволяющую описать конструкцию в виде структурной схемы, связывающей соответствующие блоки. Особенно следует отметить, что при использовании программы разработчику не требуется выводить и задавать описание математической модели в виде системы конечных соотношений, функциональных и дифференциальных уравнений, достаточно обозначить соответствующие связи на схеме, и программа COVENTOR автоматически рассчитает и построит «поведенческую» модель прибора. Затем к полученной модели из базы компонентов можно подключить блоки систем управления и приводы, например для ММГ — системы возбуждения первичных колебаний ИТ, а затем проводить моделирование. Модуль Designer предназначен для построения объемной модели конструкции. Основной особенностью пакета программ COVENTOR при создании 3D модели является подход, основанный на моделировании процессов формирования структуры при изготовлении. Сначала разработчик рисует чертежи масок, необходимых для получения нужной структуры. Затем составляется модель технологического процесса получения 3Dструктуры из числа типовых для технологий микромеханики операций нанесения и удаления материала по маскам. Модуль Analyzer предназначен для проведения анализа конструкции чувствительного элемента ММГ методом конечных элементов и позволяет проводить серии расчетов – например, жесткости или электрической емкости при изменениях ряда параметров в процессе поиска оптимальных значений. Несмотря на то, что данный модуль предназначен в основном для проведения статического анализа элементов конструкции прибора, он может быть использован при построении переходных процессов для основных типов воздействий. Для проведения анализа методами конечных элементов модуль содержит ряд так называемых решателей, осуществляющих расчет конструкции в заданной физической области. Дополнительным преимуществом модуля Analyzer является наличие опции совместного решения задач, в которых используются модели механических систем при магнитных или электростатических воздействиях, например, осуществляется расчет перемещений конструкции под действием электростатических сил. Порядок применения модулей при проведении нисходящего проектирования: Architect – Designer – Analyzer, а при восходящем: Designer – Analyzer – Architect. Назовем основные преимущества и недостатки САПР COVENTOR по сравнению с другими программами. К преимуществам программы можно отнести: 66 учет особенностей формирования структуры микромеханических устройств; возможность создавать чертежи масок, а при нисходящем проектировании получать их автоматически; наличие совместного электромеханического решателя для проведения соответствующего КЭА; возможность описания свойств КЭА конструкций во временной области (расчет поведения конструкции при динамических нагрузках); возможность моделирования работы прибора без описания его поведения системой дифференциальных уравнений, достаточно лишь определить геометрию и управляющие элементы, и выбрать связи, используемые при расчете. К недостаткам программы относятся: расчет модели составленной из электромеханических элементов в Architect происходит по неизвестным разработчику и неидентифицируемым формульным соотношениям и зависимостям. высокие требования к аппаратной части. Тем не менее, несмотря на недостатки, следует констатировать, что программа COVENTOR при добавлении ЭС будет представлять собой эффективную ИСАПР, предназначенную для комплексного проектирования микромеханических приборов. 1.7.4. Отечественные программные средства Для реализации метода автоматизации процедур с целью улучшения качества работ и общего сокращения времени проектирования разработчики используют специализированные системы автоматизированного проектирования. Эти пакеты программ содержат средства для расчетов характеристик изделий, выбранного класса или предназначены для решения общих задач при проектировании разнообразных изделий. В том случае, если перед разработчиком стоит задача расчета совокупности параметров системы, удовлетворяющей разнообразным требованиям, а выбранный пакет программ не позволяет рассчитать их в полной мере, то применение таких программных пакетов становится затруднительным. Задача осложняется отсутствием информации о математическом аппарате, заложенном в расчетные модули программ и допущениях, при которых расчеты являются достоверными. Требования импортозамещения выдвигают задачи по разработке программных продуктов отечественного производства. Среди отечественных разработок следует отметить специализированный программный комплекс «VisualResearchSystemForMMG», разработанный в Саратовском государственном техническом университете [Барулина, 2004]. Программный комплекс использует математические модели различных типов ММГ, программы расчета динамики с использованием 67 уравнений Лагранжа второго рода и предназначен для исследования динамических характеристик и анализа дрейфа приборов при различных возмущающих факторах, таких как температурные или технологические погрешности ЧЭ, вибрации основания и т.д.. Особенность разработанного комплекса состоит в модульном принципе его построения и в возможности его модернизации (рис. 1.30). а) б) Рис. 1.30. Результаты работы программы VisualResearchSystemForMMG: а) переходный процесс и фазовый портрет колебаний; б) принцип действия датчика. Результатом работы специализированного комплекса являются графики переходных процессов, фазовые портреты динамических систем, выводимые непосредственно на экран, и файлы отчета, содержащие массивы рассчитанных числовых данных. Для сокращения времени проектирования в ЦНИИ «Электроприбор» разработан программа для проектирования микромеханических ИЧЭ – гироскопов и акселерометров [Баженов, 2007]. При создании программы были созданы следующие модули, управляемые через общий интерфейс: модуль расчета и проектирования элементов конструкции ММА; модуль расчета и проектирования элементов конструкции ММГ; модуль проектирования систем управления; модуль проектирования систем термостабилизации. 68 В программе использован модульный принцип, при котором каждая задача решается отдельной подпрограммой (модулем), а параметры модели, необходимые для расчетных модулей, передаются между модулями через общий интерфейс (рис. 1.31). Рис. 1.31. Интерфейс программы по проектированию микромеханических датчиков. Пользовательский интерфейс, алгоритмы автоматизации, механизмы хранения и обмена данными реализованы с помощью средства разработки Borland Delphi. Порядок запуска модулей не имеет принципиального значения, так как каждый из них позволяет вводить исходные данные вручную. Результаты всех расчетов сохраняются в файловую структуру «проект», организованную в рамках работы системы. Гибкая система управления проектами позволяет пользователю начать работу с программой с создания нового проекта или с загрузки существующего проекта. При создании или изменении проекта пользователь выбирает необходимый расчетный модуль в пользовательском интерфейсе и запускает его. После чего осуществляется запуск интерфейса модуля для дальнейшего управления расчетами. По завершению работы модуля основные данные расчета передаются в пользовательский интерфейс и могут быть сохранены в проект. 69 Модуль «Конструкция ММГ» предполагает формирование функциональной схемы ММГ (рис. 1.32). За основу принята схема гироскопа компенсационного типа с внутренним УП и ИТ в виде диска, электростатическим возбуждением угловых ПК и емкостным съемом угловых ВК. Рис. 1.32. Функциональная схема ММГ. ДУПК – датчик угла ПК; ДУВК – датчик угла ВК; ДПК – двигатель ВК; ДМ – моментный двигатель ВК. Задачу стабилизации первичных угловых колебаний 1 ИТ и реализации компенсационного режима решает микроконтроллер, который формирует управляющие напряжения, подаваемые на ДМ по осям ПК и ВК. Микропроцессор управления реализует заданные законы изменения напряжений в контурах регулирования. Повышение стабильности характеристик ММГ достигается термостатированием внутреннего объема ЧЭ. Алгоритм проектирования ММГ, реализованный в программе, представляет собой формализованный метод проектирования и показан на рис.1.33. Алгоритм на основе исходных данных и технологических ограничений позволяет рассчитать характеристики конструкции исходя из технических требований к ЧЭ. К таким требованиям отнесены: диапазон измеряемых угловых скоростей; полоса пропускания; чувствительность; требования к устойчивости при вибрациях и ударах; ограничения по минимальным зазорам и свойствам используемых материалов. 70 Рис. 1.33. Алгоритм проектирования ММГ. В процессе проектирования строится математическая модель выбранной функциональной схемы, определяются механические и геометрические параметры ЧЭ. Силовые и измерительные устройства, которые являются составной частью ЧЭ, и их конфигурация, а также схема разводки электрических связей формируются одновременно с механическими элементами конструкции. На следующем этапе разрабатываются схемы 71 управления возбуждением ПК и измерением амплитуд ВК. Система термостабилизации может проектироваться параллельно. Разработка и исследование конструкции ММГ выбранного типа представляет собой итерационный процесс, который в программе разделен на три основных цикла: 1. В первом цикле (блок 1 на рис. 1.33) по формулам первого приближения выявляется принципиальная возможность построения прибора с заданными характеристиками. В ходе расчета определяются кинетический момент Н, коэффициент передачи ММГ как датчика угловой скорости Кдус, приблизительные характеристики точности. 2. Во втором цикле (блок 2 на рис. 1.33) определяются размеры гребенчатого двигателя, исходя из амплитуды момента для обеспечения необходимой амплитуды ПК, рассчитываются геометрические параметры конструкции, в том числе количество и площади ДМ и ДУ, и определяются электрические параметры исполнительных и индикаторных устройств. 3. В процессе третьего цикла (блок 3 на рис. 1.33) последовательно выполняются этапы методики проектирования конструкций ММГ на основе информации базы процедур. Рис. 1.34. Расчет собственных частот в модуле «Конструкция ММГ». Для расчета собственных частот конструкции обеспечено подключение модуля КЭА программы ANSYS (рис. 1.34). Выходные данные программы представляются в графическом, текстовом виде, а также в виде математической модели конструкции и по за72 вершению работы модуля данные передаются в общий пользовательский интерфейс. Модуль «Системы управления» предназначен для автоматизации расчета систем управления гироскопом, в базовом варианте – системы возбуждения первичных колебаний ММГ и стабилизации их амплитуды. Интерфейс модуля разработан для сопряжения с программой MATLAB. С учетом заданных параметров программа осуществляет математическое моделирование работы датчика, с выводом результатов на дисплей компьютера в виде графиков переходных процессов (рис. 1.35). Рис.1.35. Моделирование переходных процессов в модуле «Система управления». Отличительной особенностью программы является возможность проведения полностью автоматической оптимизации параметров регулятора путем задания желаемого вида графика переходного процесса. Результаты работы модуля представляются в виде графиков переходных процессов, а также текстовом формате, где полностью описываются рассчитанные характеристики регулятора. Все выходные данные программы включаются в текущий проект и передаются в общий интерфейс. Модуль «Система термостабилизации» предназначен для расчета местоположения элементов нагревателя и номиналов системы управления контура термостабилизации ММГ. Модуль использует КЭА программы ANSYS для расчета ряда параметров системы термостабилизации. 73 Алгоритм модуля автоматизирует расчет системы термостабилизации и содержит четыре основных этапа: построение 3D модели для КЭА, ввод исходных данных и проведение теплового расчета конструкции; оптимизация топологии датчиков температуры и нагревателей; на данном этапе определяется оптимальное место расположения датчика температуры на поверхности ЧЭ; расчет переходного процесса прогрева системы термостабилизации до температуры термостатирования и определение динамических характеристик перерегулирования и постоянной времени; расчет номиналов электронных компонент регулятора. Результаты расчета представляются в графическом и текстовом виде. Аналогично остальным модулям, расчетные данные передаются в общий пользовательский интерфейс. Разработанная программа позволяет выполнить расчеты конструкции проектируемого ММГ и системы управления его узлами, а также оценить температурные режимы работы. В результате использования программы существенно сокращено время проектирования гироскопа, экспериментальные образцы которого изготовлены и имеют расчетные характеристики. 74 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. Назовите основные решаемые задачи с использованием САПР? В каких проектных задачах требуется применение ИСАПР? Перечислите важные функции искусственного интеллекта. Каков состав и каковы основные модули ИСАПР? Назовите основные признаки ИСАПР. Правила идентификации ИСАПР. Особенности кварцевой и кремниевой технологии ММГ. Какие основные функции должна выполнять интеллектуальная система автоматизированного проектирования? Назовите основные отличия монокристаллического и поликристаллического кремния. Что означает индекс Миллера? Перечислите основные этапы технологического процесса производства ММГ. Опишите процесс фотолитографии. Чем отличаются процессы изотропного и анизотропного травления? Чем отличаются технологии КНС и КНИ? Перечислите особенности ММГ, которые необходимо учитывать при проектировании. Опишите принципы построения конструктивных схем ММГ. Назовите основные преимущества осцилляторных ВГ. Что означает термин Mode-Matching? Какие условия необходимы для достижения максимальной чувствительности ММГ к измеряемой угловой скорости? Каково типовое содержание базы знаний? Какие сведения содержатся в базе компонентов ИСАПР? Какие компоненты содержит типовая конструкция ММГ? Назовите этапы методики проектирования с использованием КЭА? Что такое база процедур в ИСАПР и каково ее содержание? Перечислите основные средства проектирования ММГ. Что называют эвристикой? В чем суть эвристических методов? Перечислите основные блоки экспертной системы. Какие функции выполняет экспертная система в ИСАПР? 75 2. КОНСТРУКЦИИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ 2.1. Создание базы знаний микромеханических гироскопов В соответствии с принципами интеллектуального проектирования ММГ для успешной реализации конструкции требуется использование в полной мере базы знаний. Без знаний в предметной области невозможна разработка работоспособной конструкции прибора. Для использования базы знаний необходимо наличие всех составляющих базы, перечисленных в предыдущей главе, а именно: базы компонентов, базы технических наук, базы процедур и базы целей. На начальных этапах интеллектуального проектирования особую значимость приобретает владение и умение использовать существенную часть базы знаний – базу компонентов, которую можно назвать и базой данных. Кроме сведений о различных механических, электрических, электромеханических и прочих стандартных или оригинальных компонентах, из которых состоит проектируемая конструкция, для грамотной разработки будущего прибора необходимо изучение следующих областей знаний: этапы создания ММГ; современное состояние разработок ММГ; схемы построения приборов, выбор аналогов и рассмотрение их достоинств и недостатков; возможные способы формообразования и доступность технологии изготовления выбранного варианта конструкции; тенденции развития ММГ. Получение информации о первых двух областях возможно из аналитических обзоров, тематических сборников, специализированной литературы и книг, посвященных созданию МЭМС. Наиболее эффективно изучение статей информационно-аналитического характера, описывающих актуальные разработки МЭМС в целом и ММГ в частности, и использование приведенного в статьях списка литературы [Barbour, 2004; Edu, 2011, Xia, 2014; Perlmutter, 2016; Deppe, 2017, Власенко, 2010; Козин, 2010; Сысоева, 2010]. Анализ современного состояния, различных вариантов, схем, конструкций выполняется как на основе возрастающего опыта специалиста, проектирующего ММГ, так и с помощью ЭС. Постепенно, по мере накопления опыта, проектировщик ММГ сам становится экспертом и может участвовать в организации работы ЭС. Сравнение различных схем построения приборов производится как по литературным источникам, так и самим проектировщиком при наличии достаточного опыта. В последнем случае имеет место полноценный анализ 76 существующих решений, что позволяет на последующих этапах проектирования произвести обоснованный синтез элементов конструкции. Разумно привлечение ЭС в режиме консультации. Выбор конструктивной схемы будущего прибора зависит от различных технических и организационных обстоятельств. Здесь должны быть решены вопросы создания оптимальной конструкции, учтены теплофизические и физико-механические факторы, оценена возможность разработки высокоточных исполнительных и измерительных устройств. При решении этих вопросов исключительную, а иногда и основную роль играют возможности соответствующего производства с необходимым технологическим оборудованием. В последнее время распространено размещение разработанных проектов, в том числе ММГ, на специализированных предприятиях по изготовлению микроэлектроники. Примером такого предприятия можно назвать группу фабрик компании X-FAB Silicon Foundries (Эрфурт, Германия) по изготовлению заказных интегральных микросхем и изделий МЭМС. Однако при выполнении проекта ММГ придется соблюдать технологические требования и нормы будущего предприятия-изготовителя. К сожалению, универсальной базы знаний для выполнения интеллектуального проектирования разнообразных конструкций ММГ не существует. Даже имеющиеся, очень продвинутые ИСАПР или претендующие на это наименование всегда будут отставать от темпов развития техники и не будут всесторонне отражать тенденции ее развития. Поэтому постоянное изучение и актуализация базы знаний и базы данных чрезвычайно необходимы при выполнении интеллектуального проектирования. Можно даже сказать, что без анализа самой свежей информации проектирование нельзя признать интеллектуальным. Создание необходимой базы знаний, включающей адекватное отображение актуальной информации, является начальным этапом интеллектуального проектирования ММГ. Накопление фактического материала должно производиться постепенно и постоянно обновляться новыми данными о тенденциях и технических новинках. Существенную пользу при формировании направлений исследования приносит изучение достижений изобретательской мысли, изложенных в различных патентах. Каждое изучение нюансов и особенностей построения микромеханических устройств дает значительное пополнение в копилку базы данных. Однако прямое заимствование технических решений допустимо только в учебных или познавательных целях. Проектировщику, работающему в промышленной компании, для выхода на рынок со своей продукцией следует помнить о соблюдении границ интеллектуальной собственности и обращаться с полученной информацией с осторожностью. Для проектирования действительно конкурентоспособной продукции необходимо формулирование собственных оригинальных решений и оформление патентов, как средство защиты интеллектуальной собственности. 77 Представленный далее материал представляет собой краткий анализ современного состояния разработок ММГ и тенденций их развития. Он помогает получить первоначальные представления о достижениях и направлениях интеллектуального проектирования, закладывает фундамент в построение необходимой базы знаний. 2.2. Этапы создания микромеханических гироскопов Пионером в области разработок ММГ является Лаборатория им. Ч. Дрейпера (Draper Laboratory, MIT, США), в которой проводились исследования возможностей создания микромеханических датчиков с начала 80-х годов. Разработки ММГ на основе кремниевой технологии были впервые представлены в 1991 году и предназначались для использования в автомобильной промышленности в качестве ДУС для определения рысканья [Бабур, 2000] и имели некомпенсируемый уход 1 град/с. В России информация о новом направлении в развитии инерциальных датчиков была впервые озвучена в 1994 году Нейлом Бабуром (США) на международной конференции в Санкт-Петербурге в 1994 году [Barbour, 1994]. Далее были получены значительно более низкие скорости дрейфа 10-100 град/ч, что позволило построить навигационную систему для ствольного оружия и испытать ее на управляемых артиллерийских снарядах при ударах до 16000 g [Гай, 1998]. В инерциальных блоках HG1930 фирмы Honeywell, где использованы подобные ММГ, был достигнут уровень дрейфа 1 град/ч [Weinberg, 2006]. После демонстрации возможностей и практической реализации столь революционных технологий в мире были развернуты исследования путей создания ММГ. Этапы создания как отечественных, так и зарубежных ММГ можно условно разделить на три последовательных стадии, которые кратко описаны ниже [Евстифеев, 2011а]. 2.2.1. Этап теоретических исследований После 1995 г. в литературе были сформулированы основные направления использования ММГ в качестве навигационных датчиков и появились первые публикации, касающиеся теоретических вопросов создания приборов. Широкий спектр исследований, проводимых с конца 90-х годов по настоящее время, направлен на решение следующих основных проблем: выбор принципов построения и выбора конструктивных схем гироскопа; составление адекватных математических моделей и структурных схем; исследование динамических характеристик и выбор методов их идентификации, включая метрологические аспекты испытаний; 78 определение методов подавления различных помех; измерение сверхмалых емкостей; исследование нелинейностей и методов их подавления; реализация технологических процессов изготовления; разработка инерциальных блоков на основе ММГ. В процессе теоретических исследований рассматривались различные частные вопросы, такие как влияние на характеристики ММГ анизотропии монокристаллического кремния и его кристаллографических направлений, влияние вибраций, ударов, акустических шумов, температурных и технологических факторов и пр. Различные принципиальные, схемные и технические решения в области разработок микромеханических инерциальных датчиков были предложены и запатентованы рядом зарубежных фирм – Rockwell International, Systron Donner, Analog Devices (все – США), Sagem (Франция), Murata (Япония), Bosch (Германия) и много других. Разработки отечественных ММГ были начаты с отставанием более чем на десятилетие, но постепенно выходят на мировой уровень. Несмотря на большое количество публикаций по тематике ММГ, возможности использования зарубежного опыта проектирования оказались весьма ограниченными вследствие фрагментарности и рекламного характера основного числа статей и докладов, что отчасти объясняется желанием сохранить секреты производства. Причинами отставания для большинства отечественных разработок являлись недостаточно высокий уровень отечественной технологии изготовления микроустройств на кремниевой основе и отсутствие необходимого опыта проектирования, который существенным образом зависит от возможностей производства. Значительные ограничения возникают вследствие недоступности новейших технологий изготовления, являющихся «know-how» ведущих зарубежных компаний-производителей. Разработки ММГ ведутся в России следующими организациями: НИИПМ им. академика В.И. Кузнецова, НПК «Вектор», ОАО РПКБ, ЦНИИ МАШ, АО «Гирооптика», НПК «Оптолинк», Лаборатория микроприборов, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» и другими. На этапе теоретических исследований особенно активно выполнялись разработки математических моделей, предлагались методики расчета различных параметров конструкций, формировались алгоритмы функционирования различных схем гироскопов. Это привело к существенному вкладу в пополнение баз процедур и технических наук. 2.2.2. Этап реализации технических решений Параллельно с этапом теоретических исследований создавались экспериментальные приборы. Первые образцы ММГ имели толщину элементов подвижной части ИТ совместно с УП на уровне 2-5 мкм. По существу, 79 они представляли собой тонкие пленки, которые естественно подвергались короблению и деформации в процессе испытаний. На этом этапе усиленно производился поиск технологических решений, отрабатывалась технология глубокого травления для получения полноценных 3D структур толщиной в доли миллиметра, создавалась инфраструктура предприятий для изготовления образцов ММГ. В зависимости от способа изготовления ЧЭ ММГ выполняются из неметаллических материалов – кварца, кремния, пьезокерамики, арсенида галлия. Методы групповой технологии, с помощью которых изготавливаются ММГ, можно разделить на три основные группы: нанесение слоев различных материалов (осаждение, напыление, гальванические покрытия), удаление слоев материала (изотропное и анизотропное травление), модифицирование свойств материалов (засветка фоторезиста, борирование, оксидирование и т.д.). Большинство разработчиков сосредоточилось на освоении более дешевой кремниевой технологии. К особенностям микроэлектронной технологии изготовления ММГ следует отнести: планарность конструкций, при которой толщина подвижных конструктивных элементов значительно (в десятки раз) меньше длины и ширины; одинаковые допуски на изготовление всех размеров в основной плоскости элемента, определяемые допуском минимального размера; невысокая относительная точность обработки, достигаемая микроэлектронной технологией (размеры упругих элементов планарных подвесов малы и составляют несколько десятков микрометров) и таким образом, несмотря на погрешности формообразования менее 0,5 мкм, достижимая относительная точность (погрешность формообразования/размеры) составляет 10-2 – 10-3. Для традиционного приборостроения может быть достигнута относительная точность 10-5 – 10-6; высокая автоматизация производства, позволяющая производить крупносерийные изделия с низкой стоимостью; широкие возможности миниатюризации благодаря интеграции механических и электронных компонентов. Размеры упругих элементов подвеса, изготавливаемых подобными технологическими методами, составляют десятки микрометров, а зазоры в подвижных структурах измеряются единицами микрометров. В качестве примера можно привести следующие типовые технические требования к изготовлению конструкции ММГ: объединение МЧ и ЭЧ в объеме < 1 см3; размеры упругих элементов около 5-10 мкм; толщина ИТ и УП порядка 20-60 мкм; 80 соотношение размеров при травлении 1:100 (вертикальность стенок); зазоры в конструкции 1-2 мкм; точность изготовления 0,1-0,2 мкм; шероховатость поверхности < 0,02 мкм; чувствительность к перемещениям менее 1 Å (10-4мкм); измерение емкости 1-2 пФ с точностью 0,1фФ; добротность осциллятора > 104; вакуумирование внутренней полости 10-3 мм рт. ст. Комплексное удовлетворение технологических требований изготовления ММГ представляет собой довольно сложную проблему, на решение которой у различных отечественных организаций, даже с использованием зарубежных технологий и оборудования, ушло от 5 до 10 лет упорной работы. При этом было апробировано большое количество технических решений, касающихся выбора методов травления, использования электромагнитных датчиков взамен электростатических, реализации вакуумированной или газонаполненной конструкции, выбора технологии «кремний на стекле» (КНС) или «кремний на изоляторе» (КНИ), разработки стендового и метрологического оборудования для испытаний полученных ММГ и других вопросов. В результате многие компании получили опытные образцы малогабаритных приборов, некоторые из которых представлены на рис. рис.2.1. а) б) Рис.2.1. Образцы ММГ: а) чипы с трехосными ММА и ММГ разработки Draper Laboratory; б) общий вид ММГ (корпус с диском и крышка с электродами) разработки ЦНИИ «Электроприбор». 81 Этот период характеризуется большим количеством патентов, посвященных конкретным техническим особенностям реализации ММГ в производстве. При этом число публикаций, описывающих принятые и реализованные решения, заметно снизилось, что свидетельствовало либо о прекращении исследований в этой области, либо о готовности полученной продукции к выходу на рынок. Различные технические и технологические решения, сформированные на этом этапе, позволили создать и отработать верифицированную базу компонентов ММГ. Следует отметить значительный прогресс точности ММГ, который наблюдался на этапе реализации технических решений. Если традиционные гироскопы демонстрируют повышение точности на порядок через 10 лет своего развития, то ММГ повышали свою точность на порядок через каждые 2 года, начиная с первых образцов Draper Laboratory c уровнем дрейфа 10-100 град/с и заканчивая современными ММГ с уровнем дрейфа менее 1 град/ч. 2.2.3. Этап коммерциализации продукции В настоящий момент ММГ используются в различных образцах коммерческой продукции для гражданского и оборонного назначения. Можно констатировать, что разработка первых поколений ММГ завершена и решаются задачи усовершенствования характеристик приборов и создания интегрированных систем навигации и управления движением с использованием ММГ. Наибольшие усилия на этом этапе направлены на снижение стоимости продукции, повышение точности, уменьшение массогабаритных характеристик, расширение функциональных возможностей и условий эксплуатации. Стоимость ММГ, как и других компонентов микроэлектроники, обратно пропорциональна объему выпуска продукции. Для увеличения объема усиленно проводятся работы по поиску потенциальных заказчиков и областей использования ММГ с одновременным улучшением потребительских свойств. В результате поиска и расширения областей использования ММГ на этом этапе значительно разнообразились критерии базы целей. 2.3. Области использования микромеханических гироскопов Современные ММГ пока уступают по точности традиционным электромеханическим гироскопам, но имеют гораздо меньшие массогабаритные характеристики, себестоимость и энергопотребление. Разрабатываемые образцы ММГ имеют следующие количественные показатели: сверхмалые масса (доли граммов) и габариты (единицы миллиметров); 82 низкая себестоимость (единицы USD на одну ось измерений); малое энергопотребление (доли Ватт); высокая стойкость к механическим воздействиям (удары до 105 g) и сохранение показателей точности в широких диапазонах температур (от 40С до + 85С); приемлемый для большинства вариантов практического применения уровень дрейфа (около 1-10 град/ч); механическая часть датчиков интегрируется со встроенной сервисной электроникой и позволяет создавать сборки на одном чипе объемом до 10 см3. Существенное снижение массогабаритных, стоимостных и энергетических характеристик за счет использования новейших технологий открывает новые пути более широкого использования ММГ в гражданских и военных областях, где ранее их применение было невозможно из-за массогабаритных ограничений или сдерживалось по экономическим соображениям. Наиболее привлекательным для разработчиков и производителей является потенциальный рынок коммерческого гражданского использования микромеханических датчиков, который в перспективе на порядки превышает объемы возможного рынка военной техники. По мере повышения точности ММГ расширяются области их использования. Требования наглядно представлены на рис.2.2 в виде параметров стабильности скорости дрейфа и диапазона измерения [Евстифеев, 2000; Xia, 2014]. Рис. 2.2. Области применения микромеханических гироскопов. Важно представить, какие ниши могут занять ММГ в сферах применения гироскопической техники. Области использования гироскопов в за83 висимости от класса точности разделяются на области гражданского применения (достаточна стабильность скорости дрейфа на уровнях 102 – 104 град/ч), тактического использования (10-1 – 102 град/ч) и навигации (10-4 – 10-1 град/ч). В последнее время для ММГ начинают составлять серьезную конкуренцию ВОГ, особенно в области тактического применения и более широкого использования для управления движением различных объектов [Goodall, 2013; Deppe, 2017]. Ниже приведены сведения из различных областей широкого применения ММГ. Автомобильная промышленность. Индустрия автомобильной промышленности является основным «двигателем» развития рынка ММГ [Krueger, 2005; Сысоева, 2007; Neul, 2007]. В современных автомобилях используются 50-85 различных датчиков, включая микромеханические, для создания различных систем безопасности и навигации (рис.2.3). Прогнозируется, что число датчиков в новых моделях автомобилей в течение ближайших лет будет удвоено и все последние модели автомобилей таких, как Cadillac, Mercedes, BMW, Volkswagen и других снабжаются системами навигации, динамического контроля безопасности и управления средствами повышения безопасности. Рис. 2.3. Автомобильные датчики в различных системах: СКК – система круиз контроля (3); АКП – автоматическая коробка передач (9); СБК – система блокировки крыши (7); АБС – антиблокировочная система колес (4); ЦЗ – центральный замок (3); КЛФ – корректор луча фар (6); СУИ – система управления инжектором (11); КК – климат контроль (13); КДШ – контроль давления шин (11); ССКУ – система стабилизации курсовой устойчивости (14); СКП – система контроля парковки (12). В скобках указано количество датчиков. 84 Навигационное оборудование и военная техника. Достижения в области создания БИНС и комплексирования с глобальными спутниковыми навигационными системами (GPS и ГЛОНАСС) позволяют применять ММГ для широкого класса задач навигации и управления движением. Благодаря своим уникальным свойствам ММГ находят применение в системах вооружений всех родов войск и военной техники. Почти все системы бортовой навигационной аппаратуры, в которой важны задачи определения абсолютных угловых скоростей и приращений углов на самолетах, ракетах, снарядах, танках и кораблях нуждаются в замене дорогостоящих традиционных гироскопов на малогабаритные, надежные и дешевые ММГ. Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) активно финансирует и разрабатывает различные программы по созданию МЭМС, в том числе уникального микроминиатюрного гироскопа MRIG (Microscale Rate Integrating Gyroscope) с уровнем дрейфа менее 0,01 град/ч и объемом менее 10 мм3 [Ривкин, 2017]: Существующие и перспективные ММГ используются для стабилизации спутниковых антенн и оружия бронетехники, управления боевыми беспилотными летательными аппаратами и другой аппаратуры подвижных объектов, в том числе управляемых снарядов и даже управляемых пуль [Пешехонов, 2009]. Робототехника. Среди возможных применений в первую очередь следует упомянуть задачи автоматической и автоматизированной навигации мобильных роботов, как специализированных транспортных средств, способных перемещаться в различных средах (по поверхностям на Земле, на Луне и на планетах, в воде, в воздухе); использование как датчиков абсолютных (а не относительных) угловых скоростей в качестве датчиков обратных связей в системах управления манипуляторами различного назначения, автоматизация заводского оборудования. Медицина и спорт. Микрогироскопы могут быть использованы в электромеханических системах угловой стабилизации хирургических микроинструментов, в медицинской электронике и диагностической аппаратуре. Все шире в биомеханике применяются малогабаритные инерциальные датчики, в том числе и ММГ, для измерения параметров движения спортсменов [Вагнер, 2017]. Товары широкого потребления. В последнее время ММГ повсеместно используются в современных смартфонах и планшетах для определения пространственной ориентации устройства с целью соответствующего поворота изображения. Без малогабаритных ММГ невозможно было бы создание современных мобильных транспортных средств, таких как беспилотные летательные аппараты (например, квадрокоптеры) и гироциклы (Segway, гироскутер, моноколесо). В этих транспортных средствах сигна85 лы с гироскопов используются для обеспечения пространственной стабилизации и управления их движением. ММГ используют для создания систем индивидуальной навигации (что особенно важно для слабовидящих и инвалидов по зрению), в новых разработках компьютерных игр и специального спортивного снаряжения. Из новейших применений особо следует отметить средства создания и воспроизведения виртуальной реальности, в первую очередь современные шлемы виртуальной реальности, имеющие систему трекинга, отслеживающую угловую ориентацию в пространстве. Как правило, системы трекинга для таких шлемов имеют в своем составе несколько ММГ, ММА и магнитометров. ММГ находят широкое применение для активной стабилизации с помощью автоматической подстройки перемещением оптических элементов для получения четких изображений на ПЗС-матрицах видеокамер и фотоаппаратов (рис. 2.4). Рис. 2.4. Система стабилизации изображения фотоаппарата. Потребность в микромеханических приборах, сохраняющих показатели точности и другие эксплуатационные характеристики при расширенных диапазонах параметров воздействий, существует в таких областях, как подземная навигация при проходке скважин, строительство, все транспортные средства, железно- и автодорожное хозяйство [Биндер, 2013; Боронахин, 2012; Коновалов, 2013] ММГ – наиболее перспективные ИЧЭ для систем навигации, стабилизации и управления малой точности и малых интервалов времени автономной работы. В ряде случаев возможно использование таких устройств также и в системах средней точности, использующих дискретно по време86 ни внешнюю информацию для коррекции накопленных ошибок ММГ и БИНС по углам ориентации [Матвеев, 2009; Пешехонов, 2011]. 2.4. Характеристики гироскопов Для выбора аналогов для проектирования и определения достигнутого уровня развития ММГ необходимо ознакомиться с их техническими спецификациями (datasheet). Характеристики некоторых зарубежных и отечественных ММГ представлены в таблице 2.1 и взяты из доступных источников с сайтов производителей. Приведенный перечень показателей достаточно ограничен, для использования датчиков необходимо изучить полную техническую спецификацию. Диапазон, град/с Табл. 2.1. Основные характеристики современных ММГ. Прибор, изготовитель Зарубежные ADXRS646 Analog Devices (США) 300 CRМ100 – PinPoint 900 Silicon Sensing (Великобритания) GI-CVG-U2100A Innalabs (Ирландия) 110 STIM300* Sensonor (Норвегия) 400 L3G3250A** STMicroelectronics (Швей 2500 цария) IAM-20380** TDK InvenSense (Япония) 2000 Отечественные ММГ-2 «ЦНИИ «Электроприбор» (СПб) 150 803МСУ1У-150 АО «Гирооптика» (СПб) 150 ТГ-75С 75 Лаборатория микроприборов (Зеленоград) ТГ-900С 900 Шум, град/с/Гц / Дрейф, град/ч Габариты, мм 0,01 / 12 774 0,018 / 12 561,2 – / 0,22 – / 0,5 10710768 0,015 / – 3,531 0,005 / – 330,75 0,05 / – 0,01 / – 0,003 / 32 0,02 / 190 505018 12125 594941 594941 453922 В таблице 2.1 обозначено * – инерциальный гироблок (три гироскопа ButterflyGyro, три акселерометра, инклинометр). ** – трехосный гироскоп. В таблице 2.2 приведен список паспортных технических характеристик отечественного ММГ-ЭП1 (рис.2.5), который является разработкой 87 АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» и изготовлен по технологии фирмы TRONIC'S Microsystems SA (Франция) [Пешехонов, 2008]. а) б) Рис.2.5. Внешний вид ММГ-ЭП1 на плате. а) общий вид гироскопа, б) вид микромодуля со снятой крышкой. Табл.2.2. Технические характеристики гироскопа ММГ-ЭП1 Характеристика Количество осей Диапазон измерения, град/с Нелинейность масштабного коэффициента, % Полоса пропускания, Гц Нестабильность коэффициента преобразования, % Плотность шума, град/с/Гц Нестабильность смещения нуля (по вариациям Аллана), град/ч Диапазон рабочих температур, C Напряжение питания, B Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры микромодуля, мм Габаритные размеры печатной платы, мм Значение 1 300 0,5 100 <1 0,01 < 10 – 55... +85 5 0,2 20×11×3 40×40 Гироскоп ММГ-ЭП1 является более современной разработкой по сравнению с ММГ-2 и состоит из микромодуля и печатной платы. В микромодуле в керамическом корпусе размещается две микросхемы МЧ и ЭЧ: одна содержит ИТ с размерами 3 мм 0,06 мм и его УП (на рис. 2.5, б микросхема показана справа), вторая – специализированная интегральная схема ASIC для обработки выходного сигнала (на рис. 2.5, б, слева). Микросхемы МЧ и ЭЧ между собой и корпусом соединяются тонкими золотыми проводками. МЧ герметизируется на уровне кристалла, внутри которого расположен геттер. 88 Печатная плата, на которой располагается микромодуль, армирована алюминием толщиной 2 мм для повышения жесткости и обеспечения виброустойчивости конструкции при эксплуатации. Приведем примеры ММГ, обладающих уникальными характеристиками среди прочих датчиков. Самые точные В 2010 году компания Honeywell (США) доложила о достижении высоких показателей стабильности ММГ, созданного на основе разработки гироскопа Draper Laboratory. В результате были достигнуты уникальные характеристики: стабильность дрейфа на уровне 0,03 град/ч и случайное блуждание по углу (ARW – angle random walk) 0,002 град/ч [Johnson, 2010]. Компания Sensors in Motion (США) анонсировала новую разработку ММГ тактического класса точности 1 град/ч. Гироскоп SIM SRG 5000 (Symmetrical Resonating Gyroscope) создан на базе кольцевого резонатора разработки Jet Propulsion Labs и имеет следующие характеристики: стабильность дрейфа на уровне 0,02 град/ч и случайное блуждание по углу (ARW) 0,005 град/ч. Лучшие полученные параметры – 0,003 град/ч и 0,002 град/ч соответственно [Sensor in Motion, 2014; Perlmutter, 2016]. Рис.2.6. Гироскоп CRS39 фирмы Silicon Sensing. Гироскоп CRS39 фирмы Silicon Sensing (рис. 2.6) на базе кольцевого резонатора имеет стабильность дрейфа на уровне 0,08 град/ч и случайное блуждание по углу (ARW) 0,01 град/ч. Габариты вместе с электронными платами для приборов такого класса достаточно велики – 24,51875 мм. Частота ПК кольцевого резонатора толщиной 100 мкм – 28 кГц. Стоимость ММГ фирмы Silicon Sensing составляет от $50 до $1200 в зависимости от функциональных характеристик выпускаемых моделей. 89 Самые малогабаритные В настоящее время фирма ST Microelectronics разработала трехосный (с тремя осями чувствительности) ММГ L3G3250A с размерами 3,531мм и уровнем спектра шума 0,015 град/с/Гц (рис. 2.7, а). Компания InvenSense предлагает микромодуль MPU-9250 с размерами 331 мм, который содержит трехосный гироскоп, трехосный акселерометр и трехосный магнитометр. Уровень спектра шума гироскопов в модуле MPU-9250 составляет 0,01 град/с/Гц. Так же этой компанией совместно с компанией TDK разработан трехосный гироскоп IAM-20380 с размерами 330,75 мм, диапазоном измерения 2000 град/с и уровнем спектра шума 0,005 град/с/Гц (рис. 2.7, б). а) б) Рис. 2.7. Гироскопы L3G3250A фирмы ST Microelectronics (а) и IAM-20380 компании TDK-InvenSense (б). Такие ММГ и модули на основе ММГ использованы в современных телефонах iPhone фирмы Apple и в телефонах других производителей. Самые дешевые Компании-разработчики ММГ стремятся довести стоимость приборов до уровня менее $1 за ось и эта цель практически достигнута. Так, стоимость микромодуля MPU-9250 в интернет-магазинах составляет менее $4. 90 Самый стойкий к механическим воздействиям Важные показатели ММГ характеризуют их стойкость к механическим воздействиям [Weinberg, 2011]. Одним из лучших в этой категории является микромеханический гироскоп ADXRS646 фирмы Analog Devices, имеющего стабильность дрейфа 8 град/ч и уровень спектра шума 0,01 град/с/Гц. Чувствительность такого прибора к линейному ускорению (gчувствительность) составляет 0,015 град/с/g, а к вибрации (g2чувствительность) – 0,0001 град/с/g2, что соответственно в 10 раз и 50 раз лучше, чем у аналогичных приборов других компаний. Размеры гироскопа ADXRS646 составляют 773,8 мм, а стоимость – около $200. 2.5. Состояние разработок и обзор конструкций 2.5.1. Гироскопы с поступательными движениями Для рассмотрения состояния разработок воспользуемся условным разделением конструкций, учитывая многообразие технических решений при проектировании ММГ. Согласно распространенной в отечественной литературе классификации ММГ различают по типу движения ИТ. При этом выделяют следующие классы: Гироскопы LL-типа (Linear-Linear): колебания ИТ как первичные, так и вторичные являются поступательными; Гироскопы RR-типа (Rotate-Rotate): колебания ИТ как первичные, так и вторичные являются угловыми; Гироскопы LR-типа (Linear-Rotate): первичные колебания ИТ являются поступательными, а вторичные колебания являются угловыми. Гироскопы RL-типа практически не встречаются. В англоязычной литературе довольно часто используют следующие наименования для классификации: гироскопы LL-типа – Linear Gyroscope; гироскопы RR-типа – Torsional Gyroscope; гироскопы LR-типа – Tuning Fork Gyroscope, TFG (камертоны). Одним из важнейших элементов конструкции ММГ является подвес ИТ. В ММГ используются упругие, электромагнитные и электростатические подвесы. Наибольшее распространение для ММГ получили упругие подвесы ИТ, отличающиеся следующими свойствами: высокая технологичность конструкций; большая стойкость к ударам (до 105 g) и вибрационным перегрузкам (до 10 g в полосе частот до 5 кГц); удержание ИТ в номинальном положении при отключении электропитания; 91 высокая механическая добротность осцилляторов, позволяющая добиться высокой чувствительности приборов. В разработанных конструкциях ММГ реализованы разнообразные кинематические схемы подвесов: наружные и внутренние карданные подвесы; стержневые подвесы с упругими элементами различной конфигурации; камертонные подвесы; подвесы в виде упругого кольца для ВТГ. Проектируются и создаются опытные образцы твердотельных ММГ – гироскопы с использованием эффекта поверхностных акустических волн (ПАВ) и микрооптические гироскопы, использующих эффект Саньяка. ММГ с поступательными движениями ИТ (рис. 2.8, а,б), реализующие схему гироскопа LL-типа, являются наиболее распространенными. В кинематических схемах таких приборов упругие элементы подвеса в виде стержней18 преимущественно прямоугольного сечения соединены с ИТ и обеспечивают свободу ПК и ВК. Эти схемы могут быть как с внутренним, так и с наружным подвесом ИТ. Причем для увеличения амплитуды перемещений ПК ИТ осуществляются, как правило, в плоскости ИТ, а ВК могут быть как в плоскости ИТ, так и по оси, перпендикулярной плоскости, в зависимости от направления действия угловой скорости. Отметим, что конструкции с наружным и внутренним УП представляют собой наглядный пример использования метода инверсии. В первом случае УП расположен снаружи ИТ, во втором случае УП расположен внутри ИТ. Для уменьшения влияния ПК на ВК и расширения возможностей подбора собственных частот подвесов в некоторых кинематических схемах подвесов используется дополнительная рамка, в которой помещено ИТ (рис. 2.8, в,г). В таких схемах могут возбуждаться ПК рамки совместно с ИТ и измеряются ВК ИТ. В другом варианте возбуждаются ПК ИТ и измеряются ВК рамки. 18 Отметим, что в некоторых работах упругие элементы, связывающие ИТ и основание, называются торсионами, что является в общем случае неверным. Торсион (от фр. torsion – скручивание, кручение) представляет собой пружину в виде вала, работающего на кручение. В ММГ упругие элементы подвеса в большинстве случаев испытывают сложные деформации растяжения-сжатия и изгиба. Поэтому для обозначения упругого элемента, представляющего собой удлиненную балку прямоугольного сечения, следует использовать более корректные термины «стержень» или «упругий элемент». 92 а) б) в) г) Рис. 2.8. Принципиальные схемы ММГ LL-типа: а) с наружным подвесом; б) с внутренним подвесом; в) с ПК дополнительной рамки; г) с ПК ИТ и ВК дополнительной рамки. Примеры реализаций ММГ LL-типа с поступательными ПК в плоскости ИТ и ВК по оси, перпендикулярной плоскости ИТ, показаны на рис. 2.9. Они содержат ИТ, связь с основанием которого осуществляется с помощью нескольких стержней. При возбуждении поступательных первичных колебаний в плоскости подвеса и наличии угловой скорости основания в этой же плоскости ИТ совершает поступательные колебания в перпендикулярном направлении, которые измеряются емкостным датчиком (рис. 2.9, а) [Tsuchiya, 2000]. Отличие схемы, представленной на рис. 2.9, б [Mochida, 2000] состоит в том, что в конструкции предусмотрена дополнительная рамка и стержни, связывающие ИТ с рамкой, для обеспечения независимых вторичных колебаний ИТ. 93 а) б) Рис. 2.9. Конструкции с осью чувствительности в плоскости ИТ: а) Toyota Central Research (Япония); б) Murata Manufacturing (Япония). Показанные на рис. 2.9. конструктивные схемы ММГ обеспечивают измерение угловой скорости основания, проекция которой находится в плоскости упругого подвеса. Недостатком таких конструкций является необходимость размещения электродов под ИТ, что усложняет технологию изготовления. Для создания инерциальных блоков, измеряющих полный вектор угловой скорости из трех ортогональных компонентов, необходимы, как минимум, три ММГ с ортогональными осями чувствительности. В составе таких блоков, состоящих из нескольких гироскопов, желательно иметь измеритель компоненты угловой скорости относительно оси чувствительности, перпендикулярной плоскости гироскопа. Это позволяет компоновать приборы, размещая их на одной установочной поверхности. Очевидно, что при сохранении ориентации силы возбуждения FВ и при измерении компоненты угловой скорости , перпендикулярной плоскости ИТ, сила инерции Кориолиса FКОР будет расположена в плоскости ИТ. Для измерения перемещений ИТ необходимо в этой же плоскости разместить соответствующие измерительные устройства. Примеры реализаций ММГ LL-типа с осью чувствительности, перпендикулярной плоскости ИТ, и с поступательными первичными и вторичными колебаниями в плоскости ИТ показаны на рис. 2.10. В англоязычной литературе такие гироскопы называют z-гироскоп или yaw-гироскоп (измеритель курса, рысканья). 94 а) б) в) Рис. 2.10. Конструкции с осью чувствительности, перпендикулярной плоскости ИТ: а) HSG-IMIT (Германия); б) Carnegie Mellon University (США); в) Analog Devices (США). Конструкция на рис. 2.10, а, реализуемая HSG-IMIT (Германия), имеет дополнительную рамку, в которой с использованием прямых стержней закреплено ИТ, что позволяет снизить взаимосвязь ПК и ВК [Geiger, 2002]. Конструкция подвеса на рис. 2.10, б разработки Carnegie Mellon University (США) представляет собой систему, состоящую из четырех стержней в каждом из направлений ПК и ВК. Несомненным достоинством последних схем является отсутствие электродов под ИТ, что значительно повышает технологичность конструкции и облегчает выполнение электрического монтажа соединений. Микромеханическая реализация схемы ММГ, изображенной на рис. 2.8, г представлена на рис. 2.10, в. Упругие элементы подвеса имеют как простую конфигурацию в виде прямых стержней, так и достаточно слож95 ную в виде ломаных или изогнутых (зигзагообразных) стержней. Представленный ММГ фирмы Analog Devices состоит из двух одинаковых механически несвязанных осцилляторов, ИТ которых колеблются в противофазе [Geen, 2003]. Вследствие малой толщины планарных УП, составляющей десятки микрометров, дополнительная рамка представляет собой дополнительный упругий элемент, влияющий на суммарную жесткость подвеса. Кроме того, УП нагружен дополнительной массой рамки, которая не является полезной для уже имеющегося ИТ. Для уменьшения квадратурной помехи используются сложные схемы с многоступенчатым УП и рядом дополнительных рамок (рис. 2.11). В таких конструкциях возбуждаются ПК рамки, в которой на упругих элементах закреплено ИТ. При воздействии переносной угловой скорости возникают ВК ИТ, которые через систему рычагов, дополнительные рамки и систему стержней вызывают движения по оси ВК. Такая система, по мнению авторов, позволяет избежать взаимосвязи ПК и ВК [Gaißer, 2003]. Однако, наличие большого количества упругих звеньев подвеса, к числу которых относится упругость дополнительных рамок, создает проблемы для обеспечения требуемых значений собственных частот и необходимой анизотропии упругих характеристик. а) б) Рис. 2.11 . Многоступенчатый упругий подвес института HSG-IMIT (Германия): а) схема; б) конструктивное исполнение. Один из существенных недостатков схемы гироскопов LL-типа состоит в повышенной чувствительности к поступательной вибрации, особенно на частотах, близких к собственным частотам подвеса. Для устранения воздействия поступательной вибрации на показания ММГ используются дифференциальные схемы, в которых осуществляются ПК в проти96 вофазе двух одинаковых ИТ, что обеспечивает такие же противофазные ВК под действием сил инерции Кориолиса. При этом поступательная вибрация вызывает синфазные колебания обоих ИТ и не воздействует на выходной сигнал. 2.5.2. Гироскопы с вращательными движениями В ММГ с вращательными движениями RR-типа с использованием, как правило, гребенчатых двигателей создается момент, который возбуждает угловые ПК ИТ с заданной относительной угловой скоростью. При действии по ортогональной оси переносной угловой скорости основания возникает момент сил инерции Кориолиса, вызывающий угловые ВК ИТ. Направление действия момента сил инерции Кориолиса определяется направлением вектора гироскопического момента и перпендикулярно плоскости расположения векторов относительной и переносной угловых скоростей. Очевидным достоинством схем RR-типа является нечувствительность к поступательной вибрации по сравнению со схемами LL-типа, однако имеет место чувствительность к угловым ускорениям. Для схем LLтипа собственные частоты упругого подвеса должны быть выше частот вибрации основания, иначе прибор будет не работоспособен. Использование схем RR-типа позволяет создавать низкочастотные осцилляторы, что увеличивает чувствительность ММГ к измеряемой угловой скорости. Как и в случае ММГ с поступательными движениями ИТ, амплитуда возникающих угловых ВК пропорциональна измеряемой угловой скорости, а частота совпадает с частотой возбуждаемых относительных ПК. Отметим подобность формулы (1.4), описывающей соотношение амплитуд колебаний при угловых ПК и ВК, формуле (1.7), описывающей соотношение амплитуд колебаний при поступательных ПК и ВК. Кинематические схемы с вращательными движениями ИТ могут быть выполнены в виде карданных или стержневых подвесов с упругими элементами различной конфигурации. Оба вида подвесов могут быть наружными или внутренними, т.е. размещенными внутри или вне ИТ (рис. 2.12). Так же как и для гироскопов LL-типа в конструкциях гироскопов RRтипа могут присутствовать дополнительные рамки. Для карданного подвеса ПК могут возбуждаться как по внутренней оси кардана (только ИТ), так и по наружной оси кардана (ИТ совместно с рамкой). При этом соответственно ВК возникают по наружной или внутренней оси. 97 а) б) в) г) Рис. 2.12. Принципиальные схемы ММГ RR-типа: а) с наружным кардановым подвесом; б) с внутренним кардановым подвесом; в) с наружным стержневым подвесом; г) с внутренним стержневым подвесом. Одной из первых конструктивных схем ММГ, предложенной Draper Laboratory, является схема в виде двухосного наружного карданова подвеса (рис. 2.12, а) [Barbour, 1994]. Конструкция состоит из внутренней и наружной рамок, связанных друг с другом и с основанием упругими элементами. Внутренняя и наружная рамки имеют угловые степени свободы (RR гироскоп). Электростатические датчики через систему электродов возбуждают угловые колебания внутренней рамки и сообщают ей переменный кинетический момент. При вращении основания относительно оси, перпендикулярной плоскости подвеса, возникают угловые колебания наружной рамки. Амплитуда вторичных колебаний является мерой угловой скорости и измеряется емкостным датчиком, расположенным под рамкой. 98 Для увеличения кинетического момента на внутренней рамке сверху и снизу с помощью сборочных операций закреплены ИТ (рис. 2.13). Рис. 2.13. Конструкция с наружным кардановым подвесом. Подробно анализ отечественной разработки подобной конструкции, созданной в НПК «Вектор» в 1994-2001 г., представлен в книге [Неаполитанский, 2002]. Разработанный подвес имел габариты в плоскости подвеса 3,66,6 мм и выполнен из кремния, а ИТ изготовлены из вольфрама с удельным весом в 2 раза больше, чем у стали. В зависимости от сечения упругих элементов для формообразования подвеса использовалось анизотропное или плазмохимическое травление. Прибор исследовался в двух модификациях – с собственными частотами ПК 500 Гц и 3 кГц. К недостаткам такой схемы можно отнести необходимость применения сборочных операций для закрепления ИТ, что значительно усложняет технологический процесс изготовления ММГ и является серьезным источником нестабильности. Конструкция с внутренним карданным подвесом была реализована германском институте HSG-IMIT (Institute of Micromachining and Information Technology), в котором был разработан ММГ под названием MARSRR (Micromachined Angular Rate Sensor) [Geiger, 1998]. Такая схема позволяет исключить влияние устройства возбуждения первичных колебаний непосредственно на ИТ (рис. 2.14). Гироскоп изготовлен с использованием технологии Bosсh и представляет собой прямоугольную рамку с ИТ, имеющее упругую связь с внутренним кольцом. Внутреннее кольцо, связанное с основанием упругими элементами, пред99 ставляет собой ротор «гребенчатого» двигателя. Электростатический двигатель создает вынужденные угловые колебания внутреннего кольца вместе с наружной прямоугольной рамкой. При наличии переносной угловой скорости по направлению расположения ИТ вследствие сил инерции Кориолиса возникают угловые колебания наружной рамки по оси, перпендикулярной направлению угловой скорости. Амплитуда угловых колебаний рамки измеряется емкостными датчиками, электроды которых расположены под ИТ. а) б) Рис. 2.14. Микромеханический гироскоп MARS-RR: а) принципиальная схема, б) общий вид гироскопа Нестабильность скорости дрейфа такого ММГ составляет 65 град/ч при полосе пропускания 50 Гц, стабильность масштабного коэффициента 0,3%, собственная частота первичных колебаний составляет 1420 Гц. Гироскоп работает при вакуумировании внутренней полости до давления 0,01 мбар. В дальнейшем HSG-IMIT на основе гироскопа MARS-RR создал инерциальный блок DAVED (Decoupled Angular Velocity Detector) для использования в диапазоне скоростей 200 /с [Gaißer, 2003]. Конструкции со стержневыми подвесами позволяют реализовать угловые перемещения ИТ по двум степеням свободы, причем ИТ, как правило, выполняется в виде диска (ротора). Отличительная особенность таких схем по сравнению со схемами с карданными подвесами состоит в том, что как при первичных, так и при вторичных угловых колебаниях ИТ в виде жесткого диска деформации подвергаются все упругие элементы (стержни) подвеса, но при разных схемах нагружения и при различных соотношениях между деформациями кручения и изгиба. Достоинством таких схем, как и схемы гироскопа MARS-RR, является то, что крепление к основанию ИТ через УП осуществляется в одной центральной точке. Это минимизирует механические напряжения при изготовлении и значительно снижает тепловые деформации конструкции, 100 особенно при различии температурных коэффициентов расширения материалов основания и пластины с упругим подвесом. Одна из таких конструкций разработана Draper Laboratory [Barbour, 1996] и показана на рис. 2.15. Схема гироскопа в виде диска, совершающего первичные и вторичные угловые колебания, имеет наружное кольцо, подвешенное на внутреннем упругом подвесе. Возбуждение ПК выполняется гребенчатым двигателем вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. При наличии переносной угловой скорости основания, лежащей в плоскости диска, возникает момент сил инерции Кориолиса, приводящий к колебаниям диска вокруг ортогональной оси. Эти колебания измеряются электродами емкостного датчика, расположенного под диском. а) б) Рис. 2.15. Гироскоп с дисковым ИТ Draper Laboratory (США): а) общий вид, б) принципиальная схема Четыре стержня подвеса прикреплены с одной стороны к диску, а с другой – к жесткому центру. Жесткий центр, в свою очередь, на двух стержнях закреплен на основании. Первая группа стержней, связанная с диском и центром, реализует ось первичных угловых колебаний; вторая группа, связанная с центром и основанием, реализует ось вторичных угловых колебаний. Аналогичная конструкция была разработана фирмой Bosch GmbH (Германия) и представлена на рис. 2.16. Конструкция гироскопа состоит из ИТ в виде диска, соединенного в центральной части с основанием с помощью двух стержней прямоугольного сечения. Диск имеет зубцы для образования подвижной части гребенчатого электростатического двигателя и совершает первичные угловые колебания относительно оси, перпендикулярной плоскости диска. Воздействие угловой скорости основания в плоскости диска приводит к вторичным угловым колебаниям диска на частоте первичных колебаний. Измерение вторичных колебаний производится с использованием электродов емкостного датчика, расположенного под диском. 101 а) б) Рис. 2.16. Разработка гироскопа фирмы Bosch GmbH (Германия). а) общий вид, б) гребенчатый двигатель Для того, чтобы вторичные угловые колебания диска происходили вокруг нужной оси, экваториальные моменты инерции диска должны быть неравными друг другу, а упругий подвес должен обладать необходимой упругой анизотропией для обеспечения угловых колебаний по требуемой координате и для исключения взаимного влияния колебаний по другим координатам. Пример конструкции ММГ RR-типа разработки ЦНИИ «Электроприбор» как одноосного измерителя угловой скорости схематично представлен на рис. 2.17. а) б) Рис.2.17. Конструкция гироскопа ЦНИИ «Электроприбор» а) принципиальная схема, б) общий вид Принцип функционирования такого устройств аналогичен описанному выше принципу работы ММГ и реализован в приборах ММГ-2 и ММГ-ЭП1 [Пешехонов, 2012]. Неравенство экваториальных моментов инерции диска обеспечивается вырезами, в которых размещены электростатические двигатели возбуждения и емкостные датчики первичных уг102 ловых колебаний. Первичные колебания возбуждаются в плоскости диска, а вторичные измеряются электродами емкостного датчика, расположенного под диском. Несмотря на отличия технологических процессов, используемых для реализации приборов на рис. 2.14-2.17, схемы построения являются общими и содержат диск с неравными экваториальными моментами инерции, внутренний стержневой подвес и электроды емкостного датчика, расположенные под диском. Незначительные различия конструкций состоят в расположении стержней подвеса и конфигурации элементов гребенчатого двигателя. 2.5.3. Гироскопы с несколькими осями чувствительности Использование одномерных (проводящих измерение по одной координате) или одноосных ММГ (с одной осью чувствительности) позволяет производить измерение только одной компоненты угловой скорости. Из рисунка 1.3 очевидно, что если первичные колебания ИТ совершаются по оси ОХ1, а угловая скорость воздействует по оси ОХ3, то вторичные колебания будут возникать по оси ОХ2. Если же вектор угловой скорости направлен по оси ОХ2, то вторичные колебания будут возникать вокруг оси ОХ3. Это показывает принципиальную возможность определения угловой скорости по двум осям с использованием одного ИТ. Однако, в случае ИТ, выполненного в виде плоской пластины, как например на рис. 2.10, конструкция такого прибора будет содержать структурную несимметрию, заключающуюся в необходимости измерения перемещений как в плоскости ИТ, так и в направлении, перпендикулярном плоскости ИТ. Для ММГ RRтипа структурная несимметрия состоит в неравенстве моментов инерции ИТ и жесткостей УП. Стремление создать структурно симметричную схему и расширить измерительные возможности ММГ привело к разработке двухосных и трехосных измерителей. Конструкция двухосного измерителя содержит диск с равными экваториальными моментами инерции и упругий подвес с равными частотами собственных угловых колебаний относительно всех осей. Первичные угловые колебания возбуждаются относительно оси, перпендикулярной плоскости диска. При наличии угловой скорости основания возникают вторичные угловые колебания относительно осей, лежащих в плоскости диска. Измерение амплитуд вторичных колебаний, пропорциональных компонентам угловой скорости, производится емкостными датчиками с электродами под диском. Конструктивная реализация двухосного измерителя может содержать как наружный, так и внутренний подвесы ИТ (диска). Схемы двухосных измерителей с наружным подвесом представлены на рис. 2.18. 103 a) б) Рис. 2.18. Конструкции двухосных ММГ с наружным подвесом: а) Университет Berkeley (США), б) Институт технологии Himeji (Япония) Представленные схемы имеют общий принцип построения, однако отличаются формой упругих элементов, количеством и расположением двигателей возбуждения первичных угловых колебаний. Конструкции двухосных измерителей с внутренним упругим подвесом показаны на рис. 2.19. а) б) Рис. 2.19. Конструкции двухосных ММГ с внутренним подвесом: а) университет Berkeley (США), б) университет СПбГУАП (Россия) Конструкция университета Berkeley [Shkel, 1999] состоит из диска, соединенного с основанием посредством четырех прямых длинных стержней (рис.2.19,а). Это позволяет получить низкую собственную частоту первичных угловых колебаний, однако вследствие этого жесткость подвеса по остальным направлениям принципиально невысока, особенно по оси, перпендикулярной плоскости подвеса. Другое решение использовано в проекте двухосного прибора, выполненном Санкт-Петербургским Университетом аэрокосмического при104 боростроения [Северов, 1998]. В этой конструкции (рис. 2.19,б) применяется симметричный упругий подвес, состоящий из ломаных изогнутых стержней, причем соединения стержней с основанием и с диском выполнены по взаимно перпендикулярным направлениям. Данная конструкция реализуется из карбида кремния, что позволяет улучшить механические характеристики и расширить температурный диапазон использования прибора. К недостаткам двухосных ММГ относится наличие существенных перекрестных связей между движениями ИТ вследствие технологических погрешностей и сложная процедура настройки таких приборов. Трехосные измерители угловой скорости, как правило, состоят из трех одноосных измерителей с ортогональными осями чувствительности или представляет собой комбинацию двухосного и одноосного измерителей. Принцип построения трехосного гироскопа на базе монолитной конструкции, совмещающего функции трех одноосных измерителей, был предложен в университете Durham (Великобритания) [Wood, 1997]. Такой прибор содержит две пары ИТ, колеблющихся попарно в противофазе. Если упругий подвес настроен соответствующим образом, возможно определение трех компонент вектора угловой скорости основания (рис. 2.20). Рис. 2.20. Трехосный гироскоп университета Durham. Подобный ММГ следует отнести к многомассовым гироскопам, которые рассматриваются в следующем разделе. 2.5.4. Многомассовые гироскопы Гироскоп, содержащий несколько ИТ, можно назвать многомассовым. В англоязычной литературе такие гироскопы называют Multi Core Gyroscope (гироскоп с несколькими телами), Multi DoF Gyroscope (гироскоп с несколькими степенями свободы; DoF, degree of freedom – степень свободы), Multi Mass Gyroscope (Single Mass Gyro – 1 ИТ, Double Mass Gyro – 2 ИТ, Quadruple Mass Gyro – 4 ИТ). 105 Многомассовые гироскопы разрабатываются для повышения устойчивости приборов к внешним механическим (постоянные ускорения, вибрации и удары) и тепловым воздействиям, поскольку в них может быть осуществлена компенсация влияния указанных факторов. Использование нескольких ИТ позволяет использовать дифференциальный режим измерения, когда полезный сигнал в каналах усиливается, а вредные воздействия вычитаются и не проявляются. Такие конструкции требуют тщательного проектирования с обеспечением идентичности масс ИТ, характеристик УП, выравнивания частот колебаний, коэффициентов преобразования в системе управления и пр [Geen, 2004]. В зависимости от конструктивного исполнения осцилляторы с УП и ИТ могут быть как несвязанными (без механических связей, при этом вычисление угловой скорости осуществляется только в сигналах в системе управления), так и связанными (с механическими связями через упругие элементы), как показано на рис. 2.21. При этом в таких конструкциях используются дополнительные рамки для размещения ИТ и их УП. а) б) в) г) Рис. 2.21. Схемы упругих подвесов с несколькими инерционными телами: а,б) несвязанные осцилляторы; в,г) связанные осцилляторы. Классическими многомассовыми ВГ, начиная с Gyrotron фирмы Sperry с двумя массами, являются конструкции TFG, использующие камертонные подвесы ИТ (рис. 2.21, б). Отметим, что для камертонных схем 106 гироскопов характерно совпадение оси чувствительности, по которой действует измеряемая угловая скорость, и оси выходных ВК. Для других схем эти оси ортогональны. Впервые реализация камертонных схем в микромеханическом исполнении была осуществлена с использованием кварцевой технологии. Выбор такой технологии объяснялся сравнительно невысокой стоимостью изготовления и свойствами кварца, обладающего высокостабильными характеристиками и малыми внутренними потерями на трение. Изготовителями ММГ по кварцевой технологии являются фирмы Systron Donner, Watson, Sagem. Микромеханический датчик QRS11 (Quartz Rate Sensor) фирмы Systron Donner (рис. 2.22, а) представляет собой вибрационный гироскоп, выполненный из монолитного куска кварца в виде Н-образной вилки. Такая форма своеобразной сдвоенной вилки вместо классической схемы камертонного гироскопа позволяет уменьшить взаимное влияние колебаний стержней. Масса гироскопа QRS11 60 г, габариты – 4016 мм, стабильность скорости дрейфа не превышает 10 град/ч. Три таких ММГ входят в состав инерциального модуля Motion Pack. а) б) Рис. 2.22. Конструктивные схемы кварцевых камертонных ММГ: а) гироскоп QRS11 фирмы Systron Donner (США); б) гироскоп Quapason фирмы Sagem (Франция). Фирма Sagem разрабатывает и выпускает серийно кварцевый датчик Quapason [Leger, 1996], чувствительным элементом которого является монолитная конструкция из четырех стержней, расположенных параллельно и симметрично на едином фланце (рис. 2.22, б). Фланец через торсион, выполняющий функцию виброизолятора, установлен на основании. На на107 ружных гранях фланца закреплены 16 пьезокерамических датчиков для возбуждения колебаний и измерения амплитуд. Стержни вибрируют таким образом, что не создают вредных крутящих моментов относительно основания. Скорость дрейфа такого ММГ около 0,1 град/с, полоса пропускания 100 Гц, непостоянство масштабного коэффициента 0,3%, ударостойкость до 300g. Кварцевые ММГ имеют большие габариты и высокую стоимость по сравнению с кремниевыми приборами. Позднее подобные конструкции были выполнены с использованием кремниевой технологии. Рассмотрим некоторые из них. В ММГ LR-типа, реализованном Draper Laboratory по схеме Tuning Fork, два ИТ не связаны между собой, а связаны с внешней рамкой посредством стержневых упругих элементов (рис. 2.23, а). Рамка крепится с основанию через упругие элементы, обеспечивающие угловое движение. Гребенчатый двигатель возбуждает противофазные поступательные ПК ИТ. При воздействии угловой скорости основания силы инерции Кориолиса создают переменный момент, приводящий к угловым ВК рамки. Угловые колебания измеряются емкостными датчиками, электроды которых расположены под ИТ. Ось угловых ВК системы ИТ совпадает с направлением оси измеряемой переносной угловой скорости. Для работы схемы в таком режиме собственные частоты ПК ИТ в своих упругих подвесах должны быть равными с высокой точностью [Barbour, 2004]. а) б) Рис. 2.23. Конструктивные схемы кремниевых ММГ: а) гироскоп Draper Laboratory; б) гироскоп Georgia Institute of Technology. Достижения в области анизотропного травления позволили увеличить толщину пластины с ИТ и их УП с 6 мкм (1992 г.) до 20 мкм (1996 г.) и даже 400 мкм (1999 г.). По заключению разработчиков гироскопа Draper Laboratory для достижения оптимальных характеристик гироскопа наиболее подходящая толщина пластины с ИТ 50-100 мкм. 108 При создании гироскопа Draper Laboratory обозначены следующие технические проблемы [Weinberg, 2006]: 1. Обеспечение соотношения собственных частот. Стабильность масштабного коэффициента во многом зависит от сохранения соотношения частот ПК и ВК (см. раздел 1.2). Для получения достаточного коэффициента усиления значение частоты ВК должно превышать значение частоты ПК на 5-15%. 2. Уменьшение геометрических допусков. Для получения равенства частот противофазных ПК двух ИТ требуемая точность формообразования при травлении упругих элементов должна находится на уровне 0,1 мкм. 3. Вакуумное корпусирование. Получение высокой добротности колебательных контуров осциллятора невозможно без обеспечения и сохранения высокой степени вакуумирования внутренней полости МЧ. 4. Достижение теоретического уровня шума. Требуемая высокая точность измерения угловой скорости вызывает необходимость снижения всех источников шума как в МЧ, так и в ЭЧ. 5. Уменьшение механической квадратурной составляющей при перекосах в конструкции требует повышенной точности формообразования. 6. Уменьшение электрических связей. Для снижения паразитных электрических емкостей, величины которых могут превышать емкости преобразователей выходного сигнала, необходимо тщательно продумывать конфигурацию и расположение электродов, в том числе и контактных площадок. 7. Устранение эффектов теплового расширения. Разность коэффициентов теплового расширения компонентов, например, УП и основания, на котором он закреплен, вызывает нестабильность показаний ММГ. В настоящее время продемонстрирован уровень дрейфа такого прибора, близкий к 1 град/ч (при термокомпенсации). ММГ на основе конструкции Draper Laboratory используются для создания гирокомпаса [Johnson, 2010] и в составе инерциального модуля HG1930 фирмы Honeywell [Froyum, 2012]. При условии точного равенства частот ПК и ВК с учетом, что V1 = 111, угол закручивания упругого подвеса 2 при наличии общей рамки для двух ИТ определяется как 2 21 2 Q2 , (2.2) r155 где r1 –расстояние центра масс ИТ от оси вращения; 55 и Q2 – соответственно собственная частота и добротность контура вторичных угловых колебаний. Формула (2.2) аналогична формуле (2.1). ММГ, выполненный по схеме описанного гироскопа LR-типа, практически нечувствителен к поступательной вибрации, но реагирует на угловые ускорения основания. Для уменьшения вибрационных и акустических 109 воздействий собственная частота ПК выбирается в диапазоне 10-20 кГц. К недостаткам камертонных конструкций можно отнести наличие несвязанных упругих подвесов ИТ, имеющих вследствие технологических погрешностей различные частоты собственных колебаний, что требует их сведения и усложняет настройку прибора. В институте Georgia Institute of Technology (США) разработан ММГ LL-типа, названный авторами Mode-Matched Tuning Fork Gyroscope – M2TFG (камертонный гироскоп с совмещенными частотами) [Zaman, 2006; Sharma, 2008]. В нем два идентичных и несвязанных упругими элементами ИТ совершают противофазные поступательные первичные колебания и при наличии действующей угловой скорости вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости ИТ, происходят поступательные вторичные колебания ИТ в плоскости (рис. 2.23, б). Строго говоря, такой гироскоп нельзя назвать камертонным, так как у классического камертона зубцы совершают поступательное движение, а основание с зубцами совершает вращательное движение, т.е. реализуется схема LR-типа. Здесь же реализована схема LL-типа, достоинство которой заключается в том, что все колебания ИТ происходят в одной плоскости и нет необходимости иметь электроды под или над ИТ, что упрощает технологию изготовления. Основные усилия разработчиков гироскопа M2-TFG были сосредоточены на получении максимальной чувствительности и обеспечения стабильного режима совмещения частот ПК и ВК (табл.2.3). Табл.2.3. Эволюция характеристик гироскопа M2-TFG по годам. Параметр Толщина ИТ, мкм Масса ИТ, мкг Частота подвеса, кГц Рассогласование частот, Гц Добротность Уровень дрейфа, /ч Полоса пропускания, Гц Уровень шума, /ч/Гц 2004 2006 2008 40 30 17,1 12 2000 >5 12 20 40 30 15 0 40000 1 1 0,5 60 45 15 0 36000 0,15 1-10 0,18 Для этого в конструкции предусмотрены специальные электроды подстройки частоты и подавления квадратурной составляющей. Не меняя принципа построения конструкции, разработчикам удалось добиться существенного улучшения характеристик гироскопа за счет совершенствования электроники и увеличения добротности, что достигнуто за счет вакуумирования внутренней полости гироскопа. 110 Как следует из табл.2.3, для получения высокой точности ММГ необходимы снижение частоты упругого подвеса, увеличение добротности, тщательная регулировка параметров, совмещение частот и совершенствование электроники. Специалистам из Georgia Institute of Technology удалось за 4 года снизить уровень шума прибора примерно на 2 порядка. Приведем пример отечественной разработки конструкции двухмассового ММГ со связанными УП (рис. 2.24), выполненной в АО «Гирооптика» [Черемухин, 2015]. Рис. 2.24. Схема двухмассового ММГ АО «Гирооптика». 1 – основание; 2 – ИТ; 3 – упругие элементы; 4 – рамка; 5 – опоры; 6 – датчики ВК; 7 – электростатические силовые устройства контура подстройки частот ВК; 8 – электростатические двигатели ПК; 9 – датчики ПК; 10,11 – рамки УП ИТ; 12 – элементы связи; 13 – упругие перемычки. Конструкция ЧЭ содержит два ИТ 2, размещенные в рамках 10, 11 через упругие перемычки 3. Под действием двигателей 8 ИТ вместе с рамками совершают по оси X противофазные ПК, амплитуда которых контролируется датчиками 9. Упругая связь между рамками 10, 11 обеспечивается перемычками 13. При воздействии угловой скорости, направление которой перпендикулярно плоскости рисунка, силы инерции Кориолиса вызывают ВК ИТ по оси Y, что приводит к перекосу рамки 4 и деформации элементов 12. Амплитуда ВК измеряется датчиками 6 и пропорциональна измеряемой угловой скорости. Предусмотрены устройства 7 для подстройки частот ВК. Вся конструкция крепится к основанию 1 через опоры 5. 111 Норвежская компания Sensonor разрабатывает двухмассовый гироскоп SAR500 [Lapadatu, 2010] с оригинальной конструкцией RR-типа, схема которого зарегистрирована под наименованием ButterflyGyro (англ. butterfly – бабочка). Чувствительный элемент содержит два идентичных ИТ, которые через асимметричные упругие элементы подвеса связаны с соответствующими опорами на основании прибора (рис. 2.25). Оба ИТ связаны центральным упругим элементом для синхронизации колебаний. а) б) в) г) Рис.2.25. Гироскоп SAR500 компания Sensonor (Норвегия) а) схема ButterflyGyro; б) МЧ (ИТ и УП) и ЭЧ (ASIC) в едином корпусе; в) вид упругого элемента; г) сечение упругого элемента. 112 Ассиметричная форма упругого элемента выбрана таким образом, чтобы его нейтральная ось19 (neutral axis) была расположена под небольшим углом к плоскости ИТ. По-существу, это равнозначно небольшому наклону УП и ИТ относительно основания. Такая асимметричная форма упругих элементов обусловлена необходимостью создания угловых движений ИТ в его плоскости под воздействием электрического напряжения плоских электродов, расположенных под ИТ. Достоинствами асимметричной конструкции упругих элементов является обеспечение большой амплитуды колебаний и снижение трудоемкости технологического процесса. Это позволяет не иметь в конструкции сложных гребенчатых структур, не использовать сложное анизотропное травление с обеспечением вертикальности стенок, упростить технологию изготовления прибора. К недостаткам можно отнести возникновение паразитных вертикальных движений ИТ (квадратурная составляющая), чувствительность к допускам и нелинейность упругой характеристики. Для обеспечения высокой добротности конструкция герметизируется с помощью стеклянных крышек с кремниевыми электродами. На крышках сформирован целый набор электродов: для возбуждения ПК, для измерения амплитуды ВК, для компенсации квадратурной составляющей, для обеспечения совмещения частот. Предложенный принцип построения прибора обеспечивает следующие ключевые особенности: противофазные ПК ИТ совершаются в одной плоскости, а ВК – с выходом ИТ из плоскости; наличие двух ИТ позволяет использовать дифференциальные измерения; прибор работает в компенсационном режиме и содержит устройства электрической настройки параметров; в конструкции отсутствуют гребенчатые структуры и не требуется использовать сложное анизотропное травление с обеспечением вертикальности стенок; перфорированные поверхности ИТ снижают демпфирование при ВК (с выходом из плоскости). Прибор SAR500 имеет диапазон измерения 500 град/с, уровень дрейфа 0,04 град/ч, случайное блуждание по углу 0,002 град/ч. Габариты прибора составляют 17,617,65 мм. 19 Нейтральная ось – линия в поперечном сечении изгибаемой балки, в точках которой нормальные напряжения, параллельные оси балки, равны нулю. Нейтральные ось делит сечение на две части, в одной из которых действуют растягивающие нормальные напряжения, в другой – сжимающие. 113 Фирма Analog Devices разработала целый ряд микромеханических датчиков iMEMS (integrated MEMS ), в том числе гироскопов и инерциальных модулей на их основе. Продукция фирмы широко известна в мире и в России [Петропавловский, 2015]. В ММГ LL-типа, реализованном фирмой Analog Devices в приборах ADXRS150 и ADXRS300, два идентичных и несвязанных ИТ в одинаковых упругих подвесах под воздействием гребенчатых двигателей совершают противофазные колебания и расположены на одной плате совместно с электроникой по технологии SoC – система на кристалле (рис. 2.26). а) б) в) г) Рис. 2.26. Гироскопы Analog Devices. а) двухмассовый (модель ADXRS150); б) принцип действия гироскопа; в) расположение элементов на одном кристалле (SoC); г) четырехмассовый (модель ADXRS636) 114 При наличии угловой скорости по оси, перпендикулярной плоскости движения ИТ, возникают силы инерции Кориолиса, заставляющие двигаться ИТ совместно с рамкой в плоскости ИТ, но в перпендикулярном направлении. Для измерения перемещений ИТ под действием сил Кориолиса предусмотрены структуры в виде набора плоских конденсаторов, выполненные наподобие гребенчатых двигателей (только перемещение зубцов происходит не вдоль их длинной части, а поперек). В этих структурах вследствие вторичных колебаний ИТ происходит изменение зазоров и, соответственно, изменение емкости, которое пропорционально измеряемой угловой скорости. В приборах Analog Devices предусмотрены различные конструктивные элементы для контроля скорости и фазы первичных колебаний ИТ, регулировки масштабных коэффициентов, подстройки частоты с использованием «электрических пружин» и пр. Особое внимание уделяется настройке режима совпадения частот и подавлению квадратурной составляющей [Geen, 2003]. В дальнейшем, для повышения вибростойкости и механической прочности Analog Devices разработала четырехмассовые гироскопы ADXRS450 и ADXRS646 (рис. 2.26, г), принцип построения которого показан на схеме (рис.2.21,г). Использование такой конструкции и механической упругой связи между четырьмя ИТ приводит к тому, что внешние механические воздействия вызывают синфазные колебания ИТ, а кориолисовы силы из-за переносной угловой скорости вызывают противофазные колебания ИТ [Saraswathy, 2012]. Это позволило разработчикам добиться превосходных результатов по стойкости к линейным и угловым ускорениям, включая постоянные ускорения, удары и вибрации. Для прибора ADXRS450 стойкость к постоянному ускорению составляет 0,03 град/с/g, к вибрации – 0,003 град/с/g2, для прибора ADXRS646 соответственно 0,015 град/с/g и 0,0001/с/g2. Интересно отметить, что гироскоп ADXRS450 имеет два исполнения корпуса (SOIC_CAV Package для измерения угловой скорости, перпендикулярно плоскости установки, и LCC_V Package для измерения угловой скорости в плоскости установки), что удобно для компоновки инерциальных модулей на их основе. В трехосном ММГ L3G4200D фирмы ST Microelectronics [STMicroelectronics, 2011] используется конструктивная схема четырехмассового гироскопа LR-типа (рис. 2.27). В этой схеме четыре идентичных ИТ М1-М4 расположены попарно симметрично и ортогонально. ИТ связаны с основанием и между собой с помощью упругих элементов и совершают поступательные противофазные ПК (drive mode). При наличии составляющей угловой скорости, перпендикулярной плоскости расположения ИТ, гироскоп совершает угловые ВК вокруг той же оси (англ. yaw – курс, рысканье). При наличии составляющей угловой скорости в плоскости расположения ИТ, гироскоп совершает вторичные угловые колебания вокруг той же оси, как и в схеме Draper 115 Laboratory на рис.2.23, а. Подобная конструкция обеспечивает измерение обеих составляющих угловой скорости в плоскости ИТ (англ. pitch – килевая качка, тангаж, roll – бортовая качка, крен). Рис.2.27. Принцип работы гироскопа ST Microelectronics. Такое совмещение функций в одном приборе позволяет создать ММГ минимальных габаритов. Среди многомассовых гироскопов возможны конструктивные схемы с количеством ИТ больше четырех. Примером является ММГ LR-типа, содержащий восемь ИТ (рис.2.28). Рис.2.28. Схема ММГ с восемью ИТ. 116 ИТ попарно совершают противофазные поступательные колебания, при наличии угловой скорости возникают вторичные угловые колебания. Такая осесимметричная схема обладает следующими преимуществами [Acar, 2009]: нестабильность и дрейф гироскопа минимизированы вследствие отсутствия взаимосвязи поступательных первичных и угловых вторичных колебаний; равномерное распределение относительно оси чувствительности сил, возбуждающих первичные колебания, уменьшает уровень нулевого сигнала и квадратурной ошибки; радиальная симметрия сил возбуждения снижает реакцию на опору и остаточные напряжения в материале подвеса. Развитие многомассовых схем ММГ является одним из основных направлений в создании приборов, работоспособных в тяжелых условиях эксплуатации. 2.5.5. Волновые гироскопы Одним из направлений построения конструктивных схем является разработка ММГ с ИТ в виде упругого кольца. Принцип работы такого гироскопа идентичен принципу работы ВТГ, который подробно исследован, например, в работе [Журавлев, 1985; Климов, 2017]. Принцип основан на свойстве инертности системы упругих волн в свободном кольцевом резонаторе по отношению к его вращению вокруг оси симметрии. Этот эффект был открыт профессором Д. Брайаном20. а) б) Рис.2.29. Пояснение эффекта Брайана. а) номинальное положение стоячей волны; б) поворот резонатора. 20 Джордж Брайан (1864-1928) – профессор университета Bangor в Северном Уэльсе. В 1890 году, вращая вибрирующую рюмку вокруг оси симметрии, уловил изменения звука и установил, что под действием сил инерции происходит прецессия стоячей волны, как относительно рюмки, так и в инерциальном пространстве 117 При возбуждении вибрации в невращающемся кольцевом резонаторе возникает стоячая поперечная волна, которая характеризуется неизменным положением узлов (участок стоячей волны, в котором амплитуда колебаний минимальна) и пучностей (участок стоячей волны, в котором амплитуда колебаний максимальна). При вращении основания кольцевого резонатора вокруг его оси происходит прецессия узлов и пучностей стоячей волны, а именно картина распределения узлов поворачивается, но отстает от вращения кольца, и в то же время не сохраняет свое положение в абсолютном пространстве. При этом угол поворота картины распределения амплитуд волн резонатора пропорционален угловой скорости, т.е. эффект может быть использован для измерения угловой скорости (рис. 2.29). В кварцевом исполнении резонатор обычно выполняется полусферическим (рис. 1.7). В кремниевом исполнении волновой гироскоп содержит резонатор в виде деформируемого гибкого кольца, внутренний упругий подвес, допускающий прецессию стоячей волны, исполнительные элементы для возбуждения и поддержания волн в резонаторе и датчики для измерения углов поворота системы волн в упругом кольце. Волновой гироскоп, разработанный в университете Michigan (Center of Integrated MicroSystems) [Ayazi , 2001], показан на рис. 2.30. При его изготовлении использована технология high-aspect ratio micromachining (травление глубоких пазов), позволяющая получать чувствительные элементы толщиной в сотни микрометров с с высокими показателями вертикальности стенок. а) б) Рис. 2.30. Волновой ММГ университета Michigan (США): а) общий вид гироскопа, б) исполнительные и измерительные элементы. Упругая система выполнена из поликристаллического кремния в виде кольца диаметром 2 мм и толщиной 100 мкм, ширина упругих элементов 4 мкм. По периферии кольца находятся исполнительные и измерительные устройства (приводы и датчики). Зазоры в исполнительных и измери118 тельных элементах находятся в пределах 2-10 мкм. Измеренная добротность такого осциллятора составила 85000, расчетная чувствительность 5 град/ч при полосе пропускания 10 Гц. Среди других разработок отметим конструкцию British Aerospace Systems and Equipment Ltd (Великобритания). ММГ выполнен из кремния и представляет собой упругое кольцо диаметром 6 мм, которое поддерживается восемью радиально расположенными криволинейными упругими элементами (рис. 2.31). а) б) Рис.2.31. Конструкция гироскопа British Aerospace и Silicon Sensing. а) схема подвеса; б) вид упругого элемента. Для возбуждения колебаний внутри кольца помещен магнит, а на упругих элементах нанесены металлические проводники, через которые проходит переменный электрический ток. Взаимодействие постоянного магнита и магнитного поля, создаваемого проводниками с переменным током возбуждения, позволяет получить волновую вибрацию кольцевого резонатора. Дрейф ММГ не превышает 0,5 град/с, чувствительность 0,01 град/с, полоса пропускания 30 Гц, нестабильность масштабного коэффициента 0,2 %, собственная частота колебаний кольца 14,5 кГц. Первоначальные габаритные размеры прибора составляли 303535 мм. При введении термостабилизации достигнутая стабильность дрейфа составила 17 град/ч. Эта конструкция получила развитие в разработках фирмы Silicon Sensing в уже упомянутых гироскопах CRS39. Для снижения помех, создаваемых магнитным полем, исполнительные устройства для возбуждения колебаний резонатора выполнены на базе электростатических преобразователей. Отечественные разработки подобных гироскопов ведутся и в России: в Лаборатории микросистем Национального исследовательского университета МИЭТ и СПбГУАП [Тимошенков, 2014; Северов, 2014] 119 Все описанные в этом разделе схемы гироскопов являются одноосными и предназначены для измерения одной составляющей вектора угловой скорости. 2.5.6. Гироскопы с бесконтактными подвесами Конструкции ММГ с бесконтактными подвесами ИТ созданы на основе микромоторов и содержат быстро вращающийся ротор, подвешенный в активном поле электромагнитных или электростатических сил в полости корпуса. Моменты, создаваемые системой подвеса малы, вследствие чего в установившихся режимах уход оси ротора может быть снижен предположительно до 10-3 град/час Преимущества такой конструкции, построенной на использовании достижений в технике магнитных или электростатических гироскопов, заключаются в отсутствии сил трения между вращающимся ротором и опорой, возможность реализации свободного гироскопа повышенной точности, как средства измерения малых углов поворота или угловой скорости основания (в зависимости от свойств обратных связей). Пример реализации одного из первых микромеханических приборов с магнитным подвесом ротора в сингапурском технологическом университете Nanyang (Сингапур) показан на рис. 2.32 [Shearwood, 2000]. а) б) в) Рис. 2.32. ММГ с бесконтактным подвесом ротора: а) принципиальная схема, б) ротор, в) подвес 120 ММГ содержит диск диаметром 0,5 мм, подвешенный на электромагнитном подвесе. Достигнутая максимальная скорость вращения диска в воздушной среде составила 1040 об/мин. Вследствие малой поперечной жесткости бесконтактного подвеса такие ММГ не выдерживают удары свыше 100 g. Японская компания Keiki ведет разработку многоосного гироскопаакселерометра MESAG-100 на основе бесконтактного подвеса быстровращающегося ротора [Murakoshi, 2003]. Она содержит быстровращающийся ротор, подвешенный в электростатическом подвесе. Вокруг ротора расположены электроды разгона, управления и съема сигнала отклонения по углу. Кроме того, с помощью электродов определяются поступательные перемещения ротора в подвесе, что позволяет прибору выполнять функции трехосного акселерометра (рис. 2.33). Рис. 2.33. Схема гироскопа-акселерометра с бесконтактным электростатическим подвесом ротора. Модификация существующей конструкции позволит достичь частоты вращения 10000 об/мин (около 1 кГц), что значительно увеличит кинетический момент такого гироскопа и повысит его чувствительность. Вследствие малой поперечной жесткости электростатического подвеса ММГ не могут эксплуатироваться на объектах, на которых возможны удары свыше 10 g, однако исследования в области создания микрогироскопов с бесконтактными подвесами продолжаются [Kühne, 2012]. 2.5.7. Твердотельные гироскопы Ведутся разработки полностью твердотельных ММГ на основе эффектов поверхностных и объемных акустических волн и оптоэлектронных на основе эффекта Саньяка (реализация волоконного гироскопа в микромеханическом исполнении). Большинство ранее рассмотренных ММГ имеют подвижное ИТ, связанное с основанием УП. Наличие подвижных 121 элементов является существенным недостатком с точки зрения прочности, надежности и ресурса таких приборов. Поэтому усилия разработчиков направлены на разработку полностью твердотельных ММГ. Один из возможных путей – использование эффекта ПАВ [Лукьянов, 2011]. На поверхности кристалла с использованием встречно-штыревого генератора создается первичная акустическая волна, так называемая волна Рэлея21, приводящая к колебаниям металлических частиц на поверхности материала в зонах, которые располагаются вблизи пучностей волны. Частицы выполняют роль ИТ, частоты колебаний частиц весьма велики и составляют 10-100 МГц. Массив кристалла выполняет роль звукопровода. Угловая скорость основания приводит к появлению сил инерции Кориолиса, которые вызывают вторичную поверхностную акустическую волну, перпендикулярную первичной. Эти колебания содержат информацию об угловой скорости основания и измеряются ортогонально расположенным сенсором – встречно-штыревым преобразователем (рис. 2.34) [Varadan, 2000]. Рис. 2.34. Схема ММГ на ПАВ. 21 Волны Рэлея представляют собой поверхностные акустические волны, которые распространяются вблизи поверхности твердого тела с фазовой скоростью, направленной параллельно поверхности. Такие волны названы в честь британского физика Джон Уильяма Стретта, лорда Рэлея (1842-1919), получившего нобелевскую премию в 1904 году за открытие газа аргон. 122 В английской литературе различают гироскопы на поверхностных акустических волнах – SAW Gyroscope (SAW – surface acoustic wave) и на объемных акустических волнах – BAW Gyroscope (BAW – bulk acoustic wave). Встречно-штыревые преобразователи обозначаются как IDT (interdigital transducer). Несмотря на достигнутые многообещающие результаты в настоящее время разработки ММГ на ПАВ не вышли за границы создания экспериментальных образцов. Разработка твердотельных ММГ так же идет по пути создания микромеханических оптических гироскопов (ММОГ), аналогичных по принципу действия традиционным волоконно-оптическим и лазерным гироскопам. Развитие интегральной оптики и, в первую очередь, волоконнооптических линий связи, привело к потенциальной возможности создания планарных волноводов и ММОГ на их основе. Одним из перспективных направлений с учетом технологических возможностей микроэлектронной промышленности является создание пассивного кольцевого резонатора, который реализуется в виде волновода с низкими потерями и ультранизким коэффициентом теплового расширения. Такой волновод должен быть симметричным и оптически накачиваемым с помощью лазерного диода. В неподвижном инерциальном пространстве резонансные частоты встречных волн в волноводе равны. При появлении вращения вокруг оси, перпендикулярной плоскости резонатора, частоты не совпадают, расходятся и их разность пропорциональна угловой скорости. Наибольших успехов в реализации ММОГ и создании планарных пленочных волноводов добилась фирма Honeywell (США). Подробный анализ проблематики создания таких приборов представлен в работе Ю.В. Филатова [Филатов, 2006]. 2.6. Общие тенденции развития микромеханических гироскопов Разработка перспективных систем навигации и управления движением подвижных объектов различного назначения связана с требованиями уменьшения габаритных размеров систем, снижения их стоимости, энергопотребления и эксплуатационных расходов. Необходимость размещения навигационных систем и комплексов в том числе и на малых объектах требует создания малогабаритных ИЧЭ – гироскопов и акселерометров. Успешный поиск новых возможностей создания инерциальных датчиков с требуемыми характеристиками и прогресс в технологии микроэлектроники привели к появлению нового класса приборов – ММГ и ММА; они оба относятся к классу МЭМС. Их появление ознаменовало революционные изменения в приборном оснащении авиации, ракетной и морской техники и автомобилестроения. В настоящее время вопросы эффективного и всеохватывающего использования ММГ и ММА привлекают все большее вни123 мание разработчиков средств автоматизации. Они выдвигают все новые и более сложные требования к разработчикам малогабаритных датчиков параметров движения. Отметим общие тенденции развития современных ИЧЭ [Ландау, 1999; Schmidt, 2004; Матвеев, 2009; Пешехонов, 2011]. 1. Значительная часть ММГ и ММА массово используется в различных технических объектах (например, в автомобилях) поодиночке для решения важных, но частных задач (например, обеспечения безопасности), однако перспективу широкого использования имеют ИЧЭ в составе бескарданных систем инерциальной навигации и автоматического управления движением. Эти системы имеют несомненные преимущества в высокой степени автономности, малых габаритах, потребляемой мощности, высокой надежности; при освоенном массовом производстве имеют значительно более низкую стоимость, они просты в наладке и эксплуатации. С этой точки зрения ММА и ММГ, входящие в состав интегрированных навигационных систем, и объединенные с современными средствами вычислительной техники и со спутниковыми средствами определения координат имеют значительные преимущества перед датчиками других типов. 2. Разработка современных ИЧЭ предусматривает органичное объединение электромеханических устройств и узлов с микропроцессорными модулями, подсистемами и отдельными устройствами, является сутью разработки ММГ, с самого начала ориентированной на такое объединение. 3. Одним из перспективных направлений разработок современных ИЧЭ является создание гироскопических или акселерометрических двухили трехкомпонентных модулей, включающих два или три гироскопа с взаимно ортогональными осями, для построения базового трехгранника системы ориентации, или три акселерометра для формирования вектора абсолютного ускорения (с учетом силы тяжести). В настоящее время разработка ММГ идет по пути создания многоосных многоканальных датчиков или законченных модулей, включающих гироскопы, акселерометры и магнитометры. 4. Развитие инерциальной элементной базы проводится с учетом возможного комплексирования ИЧЭ с другими навигационными средствами. Это отражается на технических требованиях к ММГ, позволяя в ряде случаев упростить их разработку. Измерение угловых и линейных координат положения и параметров движения различных подвижных объектов гражданского и военного назначения требует наличия соответствующей измерительной аппаратуры с определенными диапазонами измерений и показателями точности и характеристиками погрешностей. Для гироскопов это в первую очередь показатели уходов, которые характеризуют как сами скорости уходов (дрейфа), так и их стабильность. На сегодняшний день потребности рынка гражданской и военной продукции выдвигают задачи разработки отечественных 124 малогабаритных и недорогих ЧЭ для измерения угловых скоростей с допустимыми скоростями уходов от 1 до 100 град/ч и в диапазонах скоростей до 5000 град/ч. Такие разработки являются особенно актуальными для использования в бескарданных инерциальных навигационных системах (БИНС), объединенных в составе интегрированных систем со спутниковыми системами ГЛОНАСС или GPS. Самостоятельные ДУС используются в БИНС для сглаживания и хранения навигационной информации на коротких интервалах времени (1-3 минуты) при пропадании спутниковых сигналов. Это позволяет снизить требования к скорости уходов гироскопов до единиц и десятков градусов в час, сократить габариты, массу, потребляемую мощность, стоимость и повысить надежность систем в целом. Появление микромеханических устройств ознаменовало революционные изменения в инерциальных технологиях. Резкое снижение стоимости и массогабаритных характеристик микромеханических устройств заставляет разработчиков навигационных систем обращать пристальное внимание на более широкое использование ММГ. На рис. 2.35 проиллюстрирован прогноз Draper Laboratory [Бабур, 2000] по применению гироскопов в навигационных системах 2020 года. Рис.2.35. Прогноз Draper Laboratory по использованию гироскопов в системах 2020 года. Как следует из этого прогноза, представленного в 1998 году, наибольшее распространение должны были получить как ММГ, построенные на принципе ВГ с подвижным ИТ, так и ММОГ, сочетающие достоинства микроэлектроники и волоконно-оптических гироскопов без подвижных частей. Область высокой точности должны были занять ВОГ. Предполагалось, что ММОГ и ВОГ как твердотельные приборы вследствие своих по125 тенциальных преимуществ (небольшие масса и габариты, сравнительно невысокая стоимость и энергопотребление, высокая устойчивость к внешним воздействиям и достаточная точность) практически вытеснят традиционные гироскопы с рынка приборов низкой и средней точности. Однако согласно оценке компании Yole Development [Giradin, 2017], занимающейся исследованием рынка ИЧЭ и систем на их основе, прогноз Draper Laboratory можно признать несколько оптимистичным. Современное состояние использования гироскопов в инерциальных системах разной точности представлено на рис. 2.36. Рис.2.36. Оценка компании Yole Development по использованию гироскопов в современных инерциальных системах. Несмотря на бурное развитие ММГ прогресс в точности и стабильности приборов оказался не столь стремительным, как ожидалось. Кварцевые ММГ (Vibrating Quartz) и кремниевые ММГ (Vibrating Silicon), полностью заняли рынок систем с точностью до 0,1-1 град/ч. Доля ММГ в общем объеме инерциальных систем на рынке составляет около 20%. Отмечено, что объем кварцевых ММГ снижается, а кремниевых ММГ – растет. Две трети рынка в настоящее время занимают оптические гироскопы – ВОГ (FOG) и лазерные гироскопы (RLG), причем первые постепенно вытесняют последние. При повышении серийности продукции и снижении ее стоимости рынок оптических гироскопов будет расширяться. Большой прогресс достигнут в области создания ВТГ (HRG) на основе полусферических металлических и кварцевых резонаторов. Стоимость ВТГ остается достаточно высокой, что препятствует их широкому использованию. 126 Построение высокоточных систем инерциальной навигации попрежнему базируется на использовании электростатического гироскопа (ESG), обладающего уникальными характеристиками. В России такие гироскопы серийно выпускает только ЦНИИ «Электроприбор». Появление новых гироскопов на «холодных атомах» (Atom) позволит обеспечить дальнейшее повышение точности навигационных систем, но это скорей оценка на перспективу, так как сами гироскопы все еще находятся в стадии разработки. Дальнейшее успешное развитие ММГ требует решения следующих проблем: 1. Вследствие малых габаритов и массы повышение точности ММГ является одним из ключевых вопросов. Улучшение чувствительности к измеряемой угловой скорости и повышение масштабного коэффициента определяется совершенствованием технологических процессов и лучшим пониманием фундаментальных процессов на микроуровне. Повышение точности ММГ также основывается на исследованиях и разработках моделей его дрейфа. Адекватная модель дрейфа, отражающая влияние внешних возмущений (инерционные нагрузки, изменения температуры, параметров питания, воздействие магнитных полей и т.д.), позволит существенно улучшить характеристики гироскопов, разработать и применить алгоритмические методы компенсации погрешностей. Другим направлением повышения чувствительности и точности с учетом высокой добротности колебательных контуров является создание приборов со стабильной резонансной настройкой, подразумевающей совмещение частот контуров первичных и вторичных колебаний. Это довольно уникальная ситуация в навигационном приборостроении по использованию высокодобротных систем на подвижном основании. 2. Повышение долговременной стабильности связано с традиционными вопросами создания оптимальной конструкции, обеспечивающей сохранение формы, размеров, коэффициентов упругости с учетом теплофизических, физико-механических, реологических факторов, и разработка высокоточных и высокостабильных, с малым уровнем шума исполнительных и измерительных устройств. Стабильность показаний ММГ в немалой степени зависит от стабильности параметров специализированных микросхем для первичной обработки информации. Большое значение имеет развитие методов калибровки характеристик чувствительных элементов, как в процессе производства и наладки, так и в процессе эксплуатации. Все шире внедряются методы самодиагностики и самокалибровки в процессе эксплуатации. 3. Усилия разработчиков направляются на создание модулей из нескольких ММГ, расположенных на одном чипе, или разработку многоосных датчиков для решения задач навигации и ориентации различных подвижных объектов. Дальнейшее развитие ММГ предполагает интеграцию 127 электромеханических узлов подвижной системы с микропроцессорными устройствами, осуществляющих первичную обработку информации, автоматизацию процессов управления, встроенный контроль параметров и термостабилизацию элементов датчика. Миниатюризация элементов и их компоновки позволит разместить большее количество чувствительных элементов в меньшем объеме, что создаст возможность широко использовать методы гибкого осреднения и сглаживания полученной информации. 4. Успешность создания новых образцов ММГ зависит от решения технологических проблем, в частности, корпусирования, герметизации, крепления чипов с минимальными деформациями и механическими напряжениями и пр. Развитие новых технологических процессов и средств проектирования позволит существенно уменьшить время создания и изготовления образцов ММГ и сократить, таким образом, путь до потребителей. 5. Одним из важных направлений прогресса в ММГ является развитие метрологических аспектов калибровки, аттестации характеристик приборов и создание учитывающих специфику изделий, методик, а также и высокопроизводительного испытательного оборудования, приспособленного именно для групповых испытаний миниатюрных приборов и датчиков. 128 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. Каковы области преимущественного использования ММГ? Опишите особенности основных этапов создания отечественных и зарубежных ММГ. Назовите особенности микроэлектронной технологии и требования к изготовлению гироскопов. Какие достигнуты характеристики наиболее точных и наиболее малогабаритных ММГ? Опишите принципиальные схемы ММГ LL-типа с осью чувствительности в плоскости и перпендикулярно ИТ. Назовите основные классы ММГ по типу движения ИТ. Как они называются в отечественной и зарубежной литературе? Приведите основные принципиальные схемы ММГ RR-типа. Опишите основные особенности и проблемы создания камертонных гироскопов. Каковы основные особенности принципа построения гироскопа SAR500 компании Sensonor? Назовите основные тенденции и проблемы развития ММГ. Опишите принцип действия волновых ММГ. Охарактеризуйте вклад Draper Laboratory в развитие основных типов гироскопов и достигнутые ими технические характеристики. Опишите эволюцию гироскопов Analog Devices. Назовите основные конструктивные схемы ММГ. Сформулируйте их достоинства и недостатки. Существуют ли трехосные гироскопы и используются ли они в какихлибо устройствах? Назовите достоинства и недостатки гироскопов с бесконтактным подвесом. Назовите достоинства упругих подвесов ММГ. Назовите достоинства и недостатки твердотельных гироскопов. Назовите основные проблемы, от решения которых зависит дальнейшее успешное развитие ММГ. 129 3. КЛАССИФИКАЦИИ В МЕТОДАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 3.1. Общие положения В процессе проектирования новых типов ММГ проводятся интенсивные научные и технические исследования. При этом предлагается большое количество схемных и конструктивных решений, реализующих разнообразные требования, предъявляемые к ММГ. Однако недостаточная упорядоченность понятий и особенностей разработок затрудняют поиск и использование баз данных, необходимых при проектировании новых и модернизации существующих образцов. Для анализа и синтеза различных конструкций необходимо обобщение в виде классификационных схем сведений о существующих и перспективных технических решениях, которые могут быть использованы при проектировании. Использование классификации в методах проектирования заключается в применении всей совокупности базы знаний и в систематизации различных принципов построения конструкций ММГ в зависимости от выбранных классификационных признаков. Рассмотрение разнообразных сочетаний этих признаков позволяет охватить большой спектр решений, применяемых при реализации приборов, а так же стимулировать новые технические решения путем использования новых комбинаций. Выбор и комбинирование всевозможных признаков конструкций при создании нового прибора реализует так называемый морфологический подход в проектировании, основанный на составлении матриц решений и логической организации идей, в отличие от традиционных эвристических методов, опирающихся на интуицию и опыт разработчика. Классифицирование конструкций ММГ в процессе проектирования предназначено для решения следующих задач [Евстифеев, 2004б; Распопов, 2005]: ускорение и облегчение поиска конструктивных решений разрабатываемых и изготавливаемых приборов; организация поисковой системы для баз данных в системах автоматизированного проектирования при использовании средств электронновычислительной техники; выявление новых принципов построения приборов. Классификация представляет собой систему соподчиненных понятий и должна быть выполнена на основе определения отличительных признаков объектов. При этом для отражения соподчиненности такая система будет иерархической или многоуровневой. Для установления и фиксации связей между признаками, для точной ориентировки в многообразии поня- 130 тий используются многоаспектные или фасетные классификации22. В фасетной классификации отсутствуют готовые индексы, а сама классификационная схема предусматривает лишь основные деления, соединяя которые можно получить обозначения для самых сложных понятий. В многообразных областях деятельности существуют различные виды классификаций, в частности библиотечно-библиографическая универсальная десятичная классификация (УДК), классификатор Единой системы конструкторской документации, классификация изобретений МКИ. Различают естественные классификации, в которых используются семантические или содержательные признаки объектов (периодическая система химических элементов) и искусственные классификации, использующие чисто формальные признаки (алфавитно-предметные указатели, именные каталоги). 3.2. Классификация конструкций гироскопов Для классификации ММГ целесообразно использование содержательных признаков. Слово «микромеханический» в названии ММГ означает вид технологии (в данном случае – технологии микроэлектронной промышленности), используемой для их изготовления. По принципу построения они могут представлять собой приборы, построенные как классические гироскопы с быстровращающимся ротором, так и приборы, построенные по схеме осцилляторных ВГ. Обобщенная конструктивная схема ММГ содержит ИТ или несколько ИТ, подвешенных в подвесе, осуществляющем связь между телами и с основанием и характеризуемым различными типами восстанавливающих сил (рис. 1.3). ИТ может иметь разные степени свободы, различную конфигурацию, представлять собой сборную или монолитную конструкцию и может вращаться относительно основания или подвергаться принудительным ПК. Конструкции ММГ содержат различные индикаторные и исполнительные устройства для измерения и управления движением ИТ относительно основания. В состав конструкций могут быть включены системы повышения точности приборов: система вакуумирования внутренней полости расположения ИТ, системы защиты от внешних электромагнитных и инерционных воздействий, система терморегулирования. При описании конструктивных схем ММГ опущено описание признаков, характеризующих приборы как объекты системы автоматического регулирования. Наличие системы компенсации инструментальных по- 22 Фасетная классификация (классификация двоеточием) – совокупность нескольких независимых классификаций, осуществляемых одновременно по различным основаниям. Разработана индийским учёным и библиотековедом Ш. Р. Ранганатаном. 131 грешностей или электрической подстройки частот позволяет снизить требования к точности воспроизведения механических характеристик элементов прибора, однако выделение таких особенностей в качестве классификационных признаков конструкции нецелесообразно. Несмотря на это, следует учитывать, что компоновка блоков управления может оказать существенное влияние на выходные характеристики ММГ. Иногда ММГ классифицируют по признаку измерительной информации, разделяя их на приборы, работающие в режиме ДУС, и приборы, работающие в режиме измерений углов. В работе [Shkel, 2006] гироскопы разделяются на приборы, измеряющие углы ориентации (Type I), и приборы, измеряющие угловую скорость (Type II). Возможны и другие классификации по признакам, характеризующим параметры прибора (точность, диапазон измерения, вид выходного сигнала и др). Для анализа существующих и разрабатываемых конструкций выделим следующие существенные признаки, оказывающие значительное влияние на разработку прибора и принятые в качестве основных для создания классификационных схем: 1. Принцип построения схемы измерителя. 2. Свойства инерционного тела. 3. Тип подвеса инерционного тела. 4. Вид исполнительных и индикаторных устройств. 5. Наличие систем повышения точности. В качестве обозначения классификационного признака (верхний индекс в начале названия) используется десятичное кодирование, при этом разряды из трех цифр, так же как и в УДК, разделяются точкой. 3.2.1. Схема измерителя Первым из основных классификационных признаков конструкций ММГ является принцип построения схемы измерителя (рис. 3.1). В измерительном устройстве ИТ может осуществлять различные виды движения, совершать вращение (обычный гироскоп) или колебания (модуляционный гироскоп). В большинстве конструкций ММГ используется модуляционный способ измерения, при котором ИТ совершает ПК. Это позволяет осуществлять модуляцию входного воздействия и использовать методы частотной фильтрации для выделения полезной информации. При модуляционных способах измерения могут быть использованы режимы резонансной настройки, при которых собственные частоты конструкции выбираются в определенном соотношении с частотой модуляции. Измеритель может иметь одну, две или три ортогональные измерительные оси (оси чувствительности), что оказывает существенное влияние на выбор конструктивной схемы и параметров прибора, таких как собст132 венные частоты подвеса, соотношение моментов инерции ИТ, размещение исполнительных и индикаторных устройств и прочее. Рис. 3.1. Классификационный признак схемы измерителя. Примеры ММГ LL-типа с одной осью чувствительности показаны на рис. 2.9-2.10, примеры ММГ RR-типа – на рис. 2.13-2.17. Многоосные измерители рассматриваются в разделе 2.5.3. 3.2.2. Свойства инерционного тела Классификационный признак инерционного тела характеризует такие особенности приборов, как степени свободы, материал, конструкция, конфигурация и количество ИТ (рис. 3.2). Рис. 3.2. Классификационный признак инерционного тела. 133 Разновидности ММГ в зависимости от конфигурации ИТ показаны на рис. 3.3 [Antonello, 2011]. Рис. 3.3. Различные конфигурации ИТ. Вибрирующие стержни: а) прямоугольный; б) треугольный. Камертоны: в) классический; г) двойной; д) многозубцовый. Вибрирующие пластины: е) диск с внутренним подвесом (RR-тип); ж) диск с наружным подвесом (RR-тип); з) прямоугольная плата (LL-тип). Вибрирующие оболочки: и) полусфера; к) кольцо; л) цилиндр. 134 Ряд конструкций ММГ содержит несколько ИТ, связь между которыми осуществляется конструктивными элементами в виде упругих элементов подвеса. При этом конструкция ИТ может быть выполнена монолитной или сборной, соединенной из разнородных материалов. ИТ или тела могут совершать поступательные, угловые или комбинированные движения по осям ПК и ВК. Деление по степеням свободы в части ИТ условно разделяется на поступательные (LL-тип), угловые или вращательные (RRтип) и комбинированные движения (LR-тип). Подкласс материалов важен для установления технологических аспектов изготовления. При рассмотрении ММГ необходимо учитывать особенности технологических приемов и характеристики материалов, используемых для создания ИТ. Различают приборы, ИТ и упругие подвесы которых выполнены из кварца, керамики (в частности, пьезокерамики) и кремния. Основная сложность разработки ММГ навигационного класса точности определяется очень малыми массогабаритными характеристиками. Вследствие этого для повышения кинетического момента таких приборов увеличивают инерционные свойства, используя дополнительно в качестве материала тела стали или сплавы цветных металлов, как это показано на рис. 2.13. 3.2.3. Тип подвеса инерционного тела Подвес ИТ является одним из важнейших элементов конструкции прибора. В ММГ используются упругие, электромагнитные и электростатические подвесы. На рис. 3.4 приведена классификационная схема подвесов ИТ. В конструкциях ММГ реализовано большое количество разнообразных кинематических схем подвесов – наружные и внутренние карданные подвесы, стержневые подвесы с упругими элементами различной конфигурации и камертонные подвесы. В представленном составе признаков подвеса отражена микромеханическая реализация ВТГ в виде ММГ с подвесом упругого кольца. Варианты конструкций ММГ, использующих эффект ПАВ, могут быть отнесены к данному признаку достаточно условно, как системы с распределенными параметрами. 135 Рис. 3.4. Классификационный признак подвеса инерционного тела. 3.2.4. Вид исполнительных и индикаторных устройств Одним из существенных классификационных признаков является принцип построения исполнительных и индикаторных устройств, оказывающий влияние на компоновку и построение конструкции. В настоящее время используется широкий спектр устройств, использующих различные принципы преобразования. В конструкциях ММГ реализованы электрические, магнитные, пьезоэлектрические исполнительные устройства для создания первичных колебаний ИТ. Исполнительные устройства иначе называют двигателями, приводами или актуаторами. В англоязычной литературе часто встречается термин «actuator». В качестве индикаторных устройств для измерения перемещений ИТ широко используются электрические, пьезоэлектрические, тензорезистивные и оптические датчики. Индикаторные устройства иначе называют датчиками, сенсорами или преобразователями. В англоязычной литературе часто встречается термин «sensor». Все исполнительные и индикаторные устройства формируются, как правило, непосредственно в процессе изготовления ММГ с использованием стандартных технологических приемов микроэлектронной промышленности. 136 Классификационный признак исполнительных и индикаторных устройств представлен на рис. 3.5. Рис. 3.5. Классификационный признак исполнительных и индикаторных устройств Согласно рис. 3.5 исполнительное электрическое устройство обозначается как 411, а индикаторное оптическое устройство – как 424. Наибольшее распространение среди конструктивных решений получили два вида исполнительных и индикаторных устройств на основе электрических взаимодействий, как правило, в виде параллельных пластин конденсаторов. Использование такого исполнения объясняется простотой конструкции, высокой технологичностью при формообразовании, несложным сопряжением с системой управления и низким уровнем шума, создаваемым подобными устройствами. Первый вид таких устройств представляет собой плоские конденсаторы, состоящие из двух параллельных пластин. При этом одна из пластин конденсатора (один из электродов) является подвижной, а вторая закреплена на корпусе и неподвижна. Как правило, структура, конструкция и математическое описание элемента выбираются из библиотеки электромеханических компонентов, входящей в базу компонентов. Достоинством подобной конструкции является простота исполнения, к недостаткам можно отнести нелинейность характеристики. Для повышения емкости такого конденсатора и соответствующей чувствительности устройства такие конденсаторы собираются в гребенчатую структуру. В библиотеке компонентов такая структура называется «поперечная гребенка». Конфигурация второго вида устройств выполнена в виде плоской гребенчатой структуры (comb structure), содержащей ряды прямоугольных зубцов как на подвижной, так и на неподвижной части. Зубцы расположены с равномерным шагом и с определенным перекрытием по длине. Дви137 жение гребенки осуществляется вдоль направления зубцов. Достоинство устройства состоит в линейности характеристики, недостаток – в малых значениях емкостей. Для увеличения емкости требуется размещение большого количества зубцов, что вызывает трудности при компоновке. В библиотеке компонентов такая структура называется «продольная гребенка». Оба конструктивных вида могут быть использованы как исполнительные устройства (электростатические силовые / моментные устройства), так и индикаторные устройства (емкостные измерители поступательных / угловых перемещений). 3.2.5. Системы повышения точности Дополнительные средства, указывающие на различия конструктивного исполнения и повышающие точность измерения полезной информации, могут быть представлены классификационным признаком систем повышения точности (рис. 3.6). Рис. 3.6. Классификационный признак систем повышения точности В этом признаке представлены: система герметичности, обеспечивающая устранение взаимодействия ИТ с внешней газовой средой; системы защиты от внешних воздействий (амортизация, пространственная стабилизация, экранирование различного вида); система терморегулирования, обеспечивающие определенную рабочую температуру прибора. 138 3.2.6. Формула гироскопа При составлении классификации следует учитывать тот факт, что в природе нет строгих разграничений и переходы от одного класса к другому – неотъемлемое свойство действительности. Соединение различных признаков может быть выполнено по правилам фасетной классификации со знаком отношения «:», используемым в УДК для отражения любых связей между понятиями. Соединение индексов в подклассах возможно с использованием символа конъюнкции (логическая операция А и Б обозначается как А&Б). В качестве примера применения предложенных классификационных схем рассмотрим унифицированное кодированное обозначение конструкции ММГ-ЭП1 производства ЦНИИ «Электроприбор» (рис. 2.5) согласно указанным классификационным признакам 112&121&131:211&222&233&241&252.2:313:411&421:511&531 Расшифровка этой формулы такова: одноосный ММГ с резонансной настройкой в режиме колебаний; инерционное тело выполнено в виде пластины монолитным из кремния, имеет угловые степени свободы и состоит из одного тела; в качестве подвеса использован стержневой упругий подвес; исполнительное и индикаторное устройства электрические; прибор вакуумирован и имеет внутреннюю систему терморегулирования. Формула гироскопа может быть использована при построении базы данных в системах поиска информации и позволяет достаточно просто определить особенности конструкции. Рассмотренная систематизация позволяет структурировать базу данных и производить поиск конструкций по выбранным классификационным признакам, а также выполнять анализ конструктивных решений и синтез новых ММГ на основе морфологического подхода к проектированию. 3.3. Классификация методов повышения механической стойкости Наряду с рассмотренной классификацией конструкций рассмотрим более подробно классификацию методов повышения механической стойкости приборов как основу для проектирования подсистем повышения точности ММГ. Это позволяет ускорить поиск рациональных конструктивных решений разрабатываемых и изготавливаемых приборов и структурировать разделы базы знаний ИСАПР. 139 Для большого класса разрабатываемых ММГ требуется обеспечение механической стойкости (работоспособности и сохранения показателей точности) в особо жестких условиях. Стойкость приборов должна обеспечиваться при следующих параметрах внешних инерционных воздействий: амплитуды виброускорений до 15 g, частотный диапазон до 5 кГц, удары с пиковыми значениями ускорений до 20000 g при длительности порядка 0,1 мс. Отметим, что при длительно действующих перегрузках их значения устанавливаются на уровне от нескольких десятков до 100 g, что значительно ниже, чем при ударах, но выше, чем при виброиспытаниях. Сами конструкции ММГ, как правило, очень жесткие. Ввиду малой массы (единицы граммов) и малых габаритов (менее 10 мм) низшие собственные частоты таких конструктивных элементов ММГ, как ЧЭ в виде двух чипов МЧ и ЭЧ находятся в диапазоне от единиц до десятков килогерц. Это в соответствии с результатами многократно произведенных расчетов должно исключать резонансные явления в установленной для виброиспытаний полосе частот до 2 кГц. Практически все современные ММГ демонстрируют работоспособность в полосе частот до 1 кГц, некоторые образцы сохраняют метрологические характеристики при вибрациях и до 2 кГц, при этом вибропрочность обеспечивается до 5 кГц. Более высокую стойкость могут иметь полностью твердотельные ММГ на поверхностных акустических волнах, однако их разработка еще не вышла за рамки лабораторных исследований. При представлении результатов определения метрологических характеристик ММГ в одних случаях достаточно установить, до каких значений амплитуд ускорений дополнительные погрешности ММГ пренебрежимо малы, а в других случаях важна только сохранность характеристик и время восстановления после окончания воздействий. Повышению вибрационной и ударной стойкости ММГ уделяется существенное внимание, показатель их стойкости к механическим воздействиям считается одним из ключевых показателей [Weinberg, 2011]. Следует отметить, что с 2002 года в США под эгидой оборонного агентства DARPA разрабатывается программа HERMiT (Harsh Environment Robust Micromechanical Technology – Разработка робастной микромеханической технологии для жестких условий эксплуатации), которая первоначально была ориентирована на создание новой технологии корпусирования и контроля внутренней среды микромеханических приборов в неблагоприятных условиях эксплуатации. На сегодняшний день цели программы расширены до поиска решения вопросов повышения надежности и долговременной стабильности радиочастотных переключателей, высокодобротных резонаторов и ММГ [Nguyen, 2012]. Одним из важных направлений этой программы является обеспечение работоспособности ММГ при высоких значениях ударов и вибрации. 140 3.3.1. Структурно-конструктивные методы повышения стойкости Проведенный анализ существующих и разрабатываемых путей, методов и технических решений по повышению стойкости ММГ позволяет разделить эти методы на структурно-конструктивные и алгоритмические [Евстифеев, 2014]. Классификационный признак структурноконструктивных методов описывает решения, реализуемые в ЧЭ ММГ или в приборе в целом в виде изменений параметров прибора, модификации схемы измерителя, использования амортизации того или иного вида. Классификационный признак алгоритмических методов связан с разработкой процедур и схем преобразования сигнала в ЧЭ, использованием нескольких ЧЭ или дополнительных измерителей для обработки сигналов в реальном времени Классификация структурно-конструктивных методов показана на рис. 3.7. Сами методы разделены на четыре крупных блока: изменение параметров конструкции; изменение схемы ЧЭ; использование амортизации; использование акустической защиты. В процессе эксплуатации ММГ подвергаются различным механическим воздействиям – постоянное или медленно меняющееся линейное ускорение, поступательная и угловая вибрация, удары, акустический шум. На рис. 3.7 приведены обозначения методов повышения стойкости, наиболее действенных, по отношению к тем или иным воздействиям: «L» (linear acceleration) методы, эффективные при постоянных ускорениях основания; «V» (vibration) – методы, эффективные при вибрации основания; «S» (shock) – методы, эффективные при ударных нагрузках; «А» (acoustic) – методы, эффективные при акустическом шуме. Для повышения стойкости ММГ к любым механическим воздействиям необходимо, как правило, использование комбинаций целого комплекса мер, основанных на различных методах. 141 Рис. 3.7. Классификационная схема структурно-конструктивных методов повышения стойкости ММГ к механическим воздействиям 142 При анализе динамических воздействий, в первую очередь вибрационных, влияющих на конструкцию ММГ, нужно учитывать свойства всей цепи упругих элементов от источника воздействия до ИТ. Рассмотрим ее более подробно (рис. 3.8). Согласно принципиальной схеме на рис. 1.18 МЧ, содержащая ИТ и УП, устанавливается на основание корпуса. Сам корпус размещается на ПП, которая крепится к установочной поверхности. Рис. 3.8. Схема последовательного крепления в ЧЭ ММГ: 1 – УП, связывающий ИТ и основание чипа; 2 – крепление УП к основанию чипа; 3 – крепление чипа в корпусе ММГ; 4 – крепление корпуса ММГ на ПП; 5 – крепление ПП к установочной поверхности. Во всех случаях сказываются как сами элементы, так и соединяющие их слои. Повышение жесткости структуры достигается использованием достаточно жестких высокочастотных УП (1), прочных соединений типа сварки или пайки (2, 3, 4), печатных плат с алюминиевым основанием и увеличением площади крепления платы к установочной поверхности (5). Изменение параметров ЧЭ и его УП представляет собой подкласс структурно-конструктивных методов, связанный с повышением жесткости структуры механической системы «ИТ – установочная поверхность ММГ», со снижением нелинейности УП, с повышением демпфирования для снижения амплитуд резонансных колебаний, с ограничением перемещений ИТ. При этом приходят во взаимное противоречие требования прочности (обеспечение высокой жесткости) и эффективной амортизации воздействий от вибраций (уменьшение жесткости и увеличение демпфирования). Очевидным методом повышения стойкости конструкции ММГ по отношению к вибрационным воздействиям является повышение жесткости и собственных частот ИТ на УП по оси ПК. В таблице 3.1 приведены данные по собственным частотам ПК ММГ различных производителей. Пределы получения высоких собственных частот ИТ на УП на уровне 30 кГц, по-видимому, объясняются технологической невозможностью реализации элементов УП требуемой толщины вследствие сверхмалых габаритов ММГ (гироскоп ISZ-1215 имеет размеры 451 мм). 143 Таблица 3.1. Собственные частоты ПК различных ММГ Фирма-производитель InvenSense Silicon Sensing STMicroelectronics Analog Devices Kionix SensoNor Melexis ЦНИИ «Электроприбор» Модель ММГ ISZ-1215 CRS09 L2G2IS ADXRS646 ADXRS150 KGF01 SAR100 MLX90609 ММГ-ЭП1 ММГ-2 Частота ИТ на УП, кГц 30 28 20 17,5 14 10 9,4 8,2 8 3 Повышение низшей собственной частоты ИТ на УП снижает амплитуду ПК, соответственно, сдвигает вправо диапазон чувствительности ММГ к вибрации. При этом уменьшается коэффициент преобразования (чувствительность) к измеряемой угловой скорости (при увеличении частоты УП в 2 раза чувствительность ММГ к угловой скорости снижается примерно в 3,2 раз) [Евстифеев, 2013; Некрасов, 2014]. Однако повышение частоты УП решает только часть проблем. Если все остальные элементы конструкции нежесткие, то прибор все равно останется чувствительным к механическим воздействиям. Следовательно, при проектировании необходимо уделить пристальное внимание повышению жесткости всех остальных узлов структуры механической системы «ИТ – установочная поверхность ММГ». Вопрос жестокости ПП, на которой располагаются пассивные элементы и фильтры, может быть решен путем армирования текстолитовой платы алюминиевой подложкой. При необходимой толщине подложки около 2-4 мм жесткость резко возрастает, собственные частоты такой конструкции достигают единиц килогерц. Недостаток такого метода состоит в невозможности размещения пассивных элементов с двух сторон ПП (рис. 3.9, а). Если все-таки есть необходимость размещения элементов на ПП с двух сторон требуется создавать дополнительные точки крепления. На рис. 3.9, б показан вариант крепления круглой платы с ММГ в инерциальном модуле Лаборатории Ч. Дрейпера. Корпус имеет жесткие перемычки и ПП закреплена как по периферии, так и в центре [Barbour, 2004]. В качестве демпфирующих элементов для подавления колебаний элементов конструкции ПП ММГ используют заполнение внутренних полостей наружных корпусов компаундами или другими пластичными связующими составами, что значительно повышает стойкость собранного прибора к ударам и вибрации (рис. 3.9, в). Основная сложность примене144 ния компаундов заключается в необходимости обеспечения их достаточной теплопроводности для исключения перегрева внутренних элементов. а) б) в) Рис. 3.9. Методы повышения стойкости элементов структуры «ИТ – установочная поверхность»: а) печатная плата на алюминиевом основании; б) крепление платы ММГ в инерциальном модуле; в) заливка модуля ММГ-ЭПТРОН компаундом Колебательная система, образуемая ИТ на УП, как правило, имеет высокую добротность. Для снижения уровней резонансных пиков используется демпфирование, которое может быть реализовано в ЧЭ заменой вакуумирования внутренней полости на газовую среду, как в ММГ фирмы Analog Devices (США), либо путем формирования канала демпфирования колебаний ИТ в виде цепи обратной электрической связи [Шадрин, 2007]. Следует учитывать, что снижение добротности колебательного контура уменьшает амплитуду ВК и, соответственно, чувствительность к угловой скорости. Однако это позволяет снизить чувствительность ММГ к воздей145 ствию вибраций и ударов. К тому же с использованием таких методов можно существенно снизить время восстановления работоспособности ММГ после окончания удара. Например, прибор KGF01, в котором осуществляется демпфирование, после удара 500 g имеет время восстановления 0,25 с, а для прибора ММГ-2 время восстановления после удара с пиковым значением 1200 g доходит до 5 с, что недопустимо при использовании ММГ на быстродвижущихся объектах [Евстифеев, 2011б]. Одним из эффективных методов повышения вибро- и ударостойкости ММГ может быть использование в корпусах модулей демпфирующих (с высоким внутренним трением) сплавов. Сплавы высокого демпфирования и высокодемпфирующие стали, разработанные в ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина», на основе металлических систем Fe-Al и Fe-Cr отличаются высокой демпфирующей способностью при малых и средних амплитудах знакопеременного нагружения и предназначены для борьбы с шумами и вибрациями. Использование таких сталей, а именно стали 16ХЮМТБ-ВИ взамен стали 12Х18Н10Т, в конструкции кронштейна модуля ММГ позволяет снизить амплитуду резонансных колебаний при вибрации в 2-3 раза, а время восстановления после удара уменьшить примерно в 5 раз [Берштам, 2014]. Демпфирование может быть достаточно большим в пластиках, однако большинство из них не обладает высокой стабильностью формы и размеров и сохранением свойств в широких диапазонах изменения температур. Во всех случаях следует иметь в виду, что демпфирующие свойства материалов проявляются в большей степени, когда имеют место механические напряжения в конструкциях, при этом, конечно, нужно учитывать требования обеспечения достаточных запасов прочности. Нелинейность УП при ПК ИТ обусловлена наличием как изгибной жесткости, так и жесткости упругих элементов на растяжениесжатие, что вызывает возникновение нелинейной восстанавливающей силы. Особенностью систем с нелинейной восстанавливающей силой является появление нескольких (обычно двух) устойчивых периодических режимов с различными амплитудами автоколебаний или вынужденных колебаний при изменении частоты в определенных пределах при возможности спонтанного перехода колебательной системы из одного режима в другой без какихлибо дополнительных внешних воздействий. Однако при вибрациях и ударах, в том числе и об упоры, существенно возрастает возможность проявления срывов и скачков амплитуд колебаний ИТ, вибрационных смещений нуля, нелинейного (демультипликационного) резонанса. В настоящее время предложены и реализованы способы снижения нелинейности УП за счет изменения конфигурации его элементов, при этом коэффициент нелинейности снижается до 200 раз, что позволяет повысить стойкость ММГ к нагрузкам [Евстифеев, 2007]. Для улучшения свойств вибро- и ударостойкости ЧЭ можно использовать методы введения ограничений на перемещения ИТ в УП с помощью 146 упоров, которые вступают в действие только при достаточно больших перемещениях. Это позволяет уменьшить амплитуду колебаний ИТ при больших перегрузках, избежать электрического замыкания проводников подвижных и неподвижных электродов и снизить пиковые значения механических напряжений в УП, что существенно повысит запасы прочности УП и, соответственно, вибро- и ударостойкость ММГ. Конструктивно ограничения перемещений ИТ создаются упорами различного вида, которые разделяются на три вида: жесткие (жесткость упоров существенно выше жесткости ИТ и УП), нелинейные (жесткость нелинейно возрастает в процессе сближения при контакте ИТ с упором) и линейные мягкие (упоры с эластичным покрытием, деформации которых существенно влияют на усилия) [Sang Won Yoon, 2009]. При контакте ИТ с упорами происходит значительное изменение напряженно-деформированного состояния как УП, так и самого ИТ с потерей плоской формы изгиба последнего. Анализ динамического процесса деформирования при контакте требует специальных методов расчета с использованием конечно-элементного анализа. Структурные методы, связанные с изменением схемы прибора и используемые для повышения стойкости гироскопов, основаны на использовании в одном ММГ нескольких ИТ для компенсации воздействия инерционных нагрузок (сил инерции) на уровне ЧЭ. Принцип работы таких приборов основан на использовании двух и более ИТ, совершающих противофазные колебания, что позволяет использовать дифференциальный режим измерения и парировать действие инерционных ускорений (см. раздел 2). Наиболее известные реализованные конструкции ММГ с двумя ИТ (двухмассовые) – приборы фирмы Analog Devices, например ADXRS150 (L-L тип), фирмы Sensonor, например SAR500 (R-R тип, ButterflyGyro) и камертонный гироскоп TFG Draper Laboratory (L-R тип). Для улучшения показателей стойкости используют большее количество ИТ. Запатентованы решения по реализации ММГ с четырьмя и больше ИТ, имеющими угловые степени свободы. В 2011 году фирма Analog Devices представила разработку нового четырехмассового ММГ ADXRS646 с пониженной чувствительностью к линейным ускорениям и вибрации, что достигается использованием четырех ИТ с механической связью между ними. Сложности разработки многомассовых систем ММГ подробно обсуждены в разделе 2.5.4 и состоят в необходимости обеспечения с высокой точностью равенства и стабильности собственных частот ИТ на УП при отсутствии механической связи между подвесами или определенного соотношения между частотами при ее наличии. Вибро- и ударостойкость ММГ в значительной мере определяется кинематикой движений ИТ. В разных вариантах ИТ на УП может совершать поступательные (L-L типа), угловые (R-R типа) или комбинированные движения (L-R типа) по осям ПК и ВК. Гироскопы с поступательным движением ИТ L-L типа по принципу построения наиболее чувствительны к 147 поступательной вибрации, особенно в диапазонах собственных частот. Поэтому в таких конструкциях собственные частоты поднимают выше верхней границы установленного диапазона частот виброиспытаний, что повышает стойкость к ускорениям, но снижает чувствительность приборов к измеряемой угловой скорости. Гироскопы R-R типа в идеале должны были быть нечувствительны к поступательной вибрации, однако технологические погрешности, наличие нелинейностей, чувствительность к угловым ускорениям приводят к чувствительности к перегрузкам. Гироскопы L-R типа обладают как достоинствами, так и недостатками двух предыдущих схем. При невозможности или недостаточной эффективности средств повышения вибро- и ударостойкости на уровне ЧЭ используются методы внешней механической изоляции от механических воздействий. Реализуются такие методы путем создания амортизирующих устройств различного вида. Это могут быть простейшие резиновые или пластиковые прокладки или оболочки, в которых размещаются ММГ, виброударозащитные корпуса для всего инерциального модуля, специальные микроплатформы с виброизоляторами, выполненные на уровне вафли. Резиновые прокладки, устанавливаемые между корпусом прибора и непосредственно гироскопом устраняют воздействие вибрации непосредственно на ЧЭ ММГ. По своему действию это решение аналогично заливке прибора компаундом (рис. 3.9, в). На рис. 3.10, а показана установка резинового виброизолятора в автомобильном гироскопе фирмы Panasonic [Weinberg, 2011]. Несмотря на конструктивную простоту реализации к недостаткам такого способа можно отнести низкую эффективность виброизолятора на низких частотах, изменение свойств резины при воздействии температуры и старение материала в процессе эксплуатации. Виброударозащита на уровне инерциального модуля подразумевает, что сам блок с гироскопами и акселерометрами может быть размещен в специальной антивибрационной и антиударной подвеске. Такое конструктивное решение применено в инерциальном модуле SiIMU02 разработки компании Colibrys и корпорации Atlantic Inertial Systems (рис. 3.10, б). Блок предназначен для использования в артиллерийском вооружении и выдержал при испытаниях ударные воздействия на уровне 20000 g [Habibi, 2008]. В ходе разработки конструктивных решений по программе HERMiT предложено создание специализированных микроплатформ на уровне МЧ для комплексной защиты прибора от ударов, вибрации и температуры [Sang Won Yoon, 2011]. Один из вариантов конструкции показан на рис. 3.10, в. В нем на микроплатформе расположена МЧ, содержащая ИТ с УП, а также датчик и нагреватель для контроля и обеспечения заданной температуры. Сама микроплатформа имеет упругий подвес для создания пространственной системы амортизации, снижающей внешние механические 148 воздействия. Вся конструкция размещена в герметичной полости, в которой поддерживается определенная степень вакуума. а) б) в) Рис. 3.10. Чувствительный элемент ММГ с системами виброударозащиты. а) резиновый виброизолятор; б) система защиты модуля гироскопов; в) защита на уровне МЧ ЧЭ. В зависимости от способа исполнения амортизация может обеспечивать виброзащиту во всем диапазоне частот (очевидно, с разной эффектив149 ностью в зависимости от частоты вибраций) либо только на высоких частотах, в диапазонах собственных частот ИТ на УП. Требования к виброзащите ММГ специфичны. Ввиду малости размеров и вследствие высоких собственных частот (килогерцы) амортизация может быть полезной, начиная с частоты 1 кГц. Это означает, что система амортизации может иметь достаточно высокую жесткость и обеспечивать только малые относительные виброперемещения (несколько единиц микрометров). К первым, упрощенным типам амортизаторов могут быть отнесены резиновые прокладки, ко вторым – виброизолирующие платформы. Эффективность и возможность реализации того или иного вида амортизации зависит от достижений технологии, алгоритма использования ММГ (МЧ, ЧЭ, отдельный прибор или инерциальный модуль), уровня и спектра внешних вибрационных воздействий. В настоящее время все больше внимания уделяется стойкости ММГ к акустическим воздействиям. Сигнал ММГ значительно возрастает при приближении частоты акустического шума к резонансным частотам УП. При определенном уровне звукового давления может происходить отказ прибора. Звуковое давление в логарифмическом масштабе измеряется в децибелах (дБ). Технические средства измерения звукового давления широко используются, например, в охране труда. Существуют шкалы сопоставления уровней шумов, воспринимаемых человеком, и оцениваемых по приборам. Однако для испытаний приборов предусматриваются такие высокие уровни звуковых давлений, которые на порядки превосходят допустимые для человека. Стандарты диктуют требования к стойкости приборов вплоть до 170 дБ в полосе частот от 20 Гц до 20 кГц. Такие требования обусловлены тяжелыми условиями эксплуатации ММГ на различных технических объектах. Например, при работе сваебойной машины или копра звуковая нагрузка составляет 110 дБ, шум от реактивной струи при взлете самолета – 140 дБ, при взлете большой ракеты – 170 дБ. В результате проведенного эксперимента определено, что при уровне давления 100 дБ гироскоп ADXRS300 еще способен определять угловую скорость основания (вращающегося стола), а при звуковом давлении 130 дБ уровень шума настолько высок, что гироскоп практически не работоспособен [Dean, 2011a]. Для испытаний на акустические воздействия требуется специальные стенды. Для пробных исследовательских испытаний можно использовать устройства звуковоспроизведения мощных акустических систем. Но серьезная проблема заключается в построении замкнутой камеры с незначительными эффектами звукоотражения и с очень хорошей звукоизоляцией для обеспечения безопасности работающего персонала и отсутствия помех другому работающему оборудованию [Челпанов, 2013]. Такие камеры выпускаются несколькими фирмами. 150 Из анализа результатов экспериментальных исследований следует, что для обеспечения нормальной работы ММГ в условиях мощных акустических воздействий требуется значительное снижение звукового давления непосредственно на гироскоп в конструкции необходимо предусматривать специальные звукозащитные экраны для эффективной защиты от акустических воздействий или использовать специальные поглощающие материалы при корпусировании датчика [Dean, 2011b]. Альтернативным методом является увеличение собственной частоты УП выше частоты акустических воздействий с соответствующим снижением чувствительности ММГ к угловой скорости (см. табл. 3.1). 3.3.2. Алгоритмические методы повышения стойкости Класс алгоритмических методов повышения стойкости основан на использовании дополнительных процедур преобразования сигнала в ЧЭ (см. рис. 3.11). Рис. 3.11. Классификационная схема алгортимических методов повышения стойкости ММГ к механическим воздействиям Одним из методов повышения стойкости ММГ к ускорениям является модификации его электронной системы управления. При вибрационных испытаниях ММГ-2 с собственной частотой ПК около 3 кГц было выявлено наличие субгармонических резонансов в полосе частот до 2 кГц. Более подробные исследования показали, что возникновение таких резонансов обусловлено нелинейностью характеристик датчиков угла и момента и неидентичностью параметров (емкостей, площадей, зазоров, напряжений и пр.) в парах датчиков угла и момента. При измерении емкостей датчиков угла и момента на этапе сборки приборов и введении дополнительных це151 пей в СУ возможно повышение стойкости ММГ и подавление субгармонических резонансов. При использовании нескольких ЧЭ в составе модуля ММГ для повышения вибростойкости предложено использовать метод мажоритарного выбора в качестве алгоритма преобразования выходного сигнала [Некрасов, 2014]. За счет избыточного числа однотипных ЧЭ, обладающих разной реакцией на вибрационное воздействие, выбирается сигнал того ММГ, у которого отсутствует на выходе ложный сигнал высоких уровней вследствие субагрмонических резонансов. Для того чтобы ложные сигналы при действии вибраций на одной частоте не возникали одновременно на выходе двух ММГ, собственные частоты ИТ на УП должны отличаться не менее, чем на 10%. Для определения реакции ММГ на входное инерционное воздействие в целях последующей компенсации (корректировки выходного сигнала) ММГ может быть дополнен акселерометром или датчиком перемещений ИТ. В расширение возможностей упомянутых методов могут быть использованы результаты калибровки ЧЭ ММГ для определения чувствительности ММГ к постоянным ускорениям и к вибрации. Знание коэффициентов чувствительности к ускорениям при последующей компенсации позволит повысить эксплуатационные характеристики ММГ при соответствующей обработке выходного сигнала. Применение таких методов для устранения ошибки от высокочастотной вибрации связано с трудностями создания сложной системы, обеспечивающей требуемые фазовые соотношения между сигналом помехи и сигналом акселерометра. Согласно оценкам [Weinberg, 2011] подобные методы наиболее эффективны при компенсации влияния постоянных или низкочастотных ускорений. Анализ существующих и перспективных методов и технических решений по проектированию конструкций и выработке конструктивных решений по повышению стойкости ММГ к механическим воздействиям позволяет с общих позиций разделить их на структурно-конструктивные и алгоритмические методы. Структурно-конструктивные методы включают изменение параметров, модификацию схемы измерителя, использование амортизации. К алгоритмическим методам относятся разработка процедур преобразования сигнала, использование нескольких ЧЭ или дополнительных измерителей для получения сигналов в реальном времени. Использование классификаций в интеллектуальном проектировании дает возможность существенно расширить базу знаний и использовать комплексный подход для выбора новых вариантов приборов путем разнообразных комбинаций классифицированных конструкций и методов повышения их эксплуатационных характеристик. 152 3.4. Метод морфологического анализа Более сложный метод генерирования идей по проектированию конструкций ММГ заключается в морфологическом (т.е. относящемся к форме и структуре) анализе независимых переменных, связанных с решаемой проблемой или поставленной задачей. Для каждой из этих переменных рассматриваются различные параметры, типы систем, свойства или методы и в совокупности эти характеристики образуются таблицу или матрицу. Различные сочетания указанных характеристик рождают альтернативные идеи или рекомендуемые решения поставленной задачи. Таким образом, число возможных комбинаций здесь больше, чем в случае генерирования идей другими методами. При наличии классификационных схем возможно использование метода морфологического анализа, который основан на подборе возможных решений для отдельных частей задачи (так называемых морфологических признаков, характеризующих устройство) и последующем систематизированном получении их сочетаний (комбинировании). Такой метод относится к эвристическим методам и разработан швейцарским астрономом Фрицем Цвикки23. Основная идея морфологического подхода систематически находить наибольшее число, а в пределе – все возможные варианты решения поставленной проблемы или реализации системы путем комбинирования основных (выделенных исследователем) структурных элементов системы или их признаков. При этом система или проблема может разбиваться на части разными способами и рассматриваться в различных аспектах. Одной из разновидностей метода является метод морфологического ящика, который основан на составлении и анализе морфологической матрицы, которую Ф. Цвикки называл морфологическим ящиком. Построение и исследование морфологической матрицы проводится в следующей последовательности (применительно к проектированию конструкций ММГ): 1. Формулирование требований к проектируемому прибору. Это выполняется с использованием информации базы целей (стоимость, точность, диапазон, уровень дрейфа, масса, габариты, уровень внешних воздействий и пр.). 2. Определение параметров, от которых зависит создание прибора с учетом имеющихся технологических возможностей. На данном этапе фор- 23 Фриц Цвикки (1898-1974) – американский астроном швейцарского происхождения. Благодаря разработанному методу морфологического анализа он смог за короткое время получить значительное количество оригинальных технических решений в ракетостроении. 153 мируются классификационные признаки, по которых будет строиться морфологическая матрица конструкции (схема измерителя, свойства ИТ, тип подвеса, выбор исполнительных и индикаторных устройств, необходимость в системах повышения точности). Здесь в полном объеме должна быть задействована база компонентов. 3. Представление выбранных признаков в виде матриц-строк для составления морфологической матрицы. 4. Формирование матрицы и анализ всех имеющихся вариантов построения конструкции с использованием базы технических наук и базы процедур. 5. Выбор наилучшего варианта построения конструкции. Это один из наиболее ответственных этапов, который выполняется с помощью ЭС. Производится сравнение вариантов по одному или нескольким наиболее важным показателям для разрабатываемого ММГ. При использовании классификации как метода интеллектуального проектирования обычно рассматривают плоские классификационные схемы, при этом двумерная матрица 33 дает 9 возможных комбинаций. Если эту же задачу исследовать с добавлением третьей переменной, то матрица становится трехмерной и имеет вид параллелограмма, составленного из кубов малого размера, число которых зависит от числа переменных (рис. 3.12). Трехмерная матрица 333 дает уже 27 возможных комбинаций, образуя такое же число различных вариантов конструкции. Увеличивая количество переменных на грани матрицы можно увеличивать число комбинаций. Рис. 3.12. Морфологическая матрица вариантов конструкции. 154 Морфологические матрицы могут быть не только двумерными или трехмерными, но и большей размерности. Рассматривая разные сочетания элементов матрицы, можно получить большое сочетание всевозможных вариантов решений, в том числе и самых неожиданных. Так, морфологическая матрица для реактивных двигателей, работающих на химическом топливе, построенная Ф. Цвикки, содержала 576 возможных вариантов решений. Многие идеи явно неприемлемы и их сразу же необходимо отбросить, что в большой степени осуществляется с использованием ЭС, но в распоряжении проектировщика остается значительное число идей, которые при ином подходе могли бы остаться незамеченными. 155 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Какие цели преследует использование классификации в интеллектуальных системах проектирования? Назовите основные задачи классификации конструкций. Опишите различные конфигурации ИТ. Какие виды классификаций существуют? Какие возможные признаки используют при классификации ММГ? Назовите пять основных признаков, по которым осуществляется классифицирование конструкций гироскопов. Назовите материалы, из которых изготавливаются ИТ и УП в различных конструкциях. Возможно ли использование разнородных материалов? Какие правила составления формулы гироскопа? Какие системы повышения точности существуют и какие задачи они выполняют? Назовите различные виды исполнительных и индикаторных устройств. Каковы требования к стойкости микромеханических приборов в жестких условиях эксплуатации? Назовите программу по повышению эксплуатационных характеристик, разрабатываемую агентством DARPA. Назовите структурно-конструктивные методы повышения механической стойкости гироскопов. В чем отличие алгоритмических и структурно-конструктивных методов повышения стойкости? Какие достоинства и недостатки имеет метод увеличения частоты УП? Какие методы существуют по повышению стойкости ММГ к акустическим воздействиям? Назовите этапы построения и исследования морфологической матрицы Цвикки. В чем основная идея морфологического подхода в интеллектуальном проектировании? 156 ЛИТЕРАТУРА Анучин О.Н. Интегрированные системы ориентации и навигации для подвижных объектов / О.Н. Анучин, Г.И. Емельянцев / СПб, 1999. – 357 с. Бабур Н. Направления развития инерциальных датчиков / Н. Бабур, Д. Шмидт // Гироскопия и навигация. – 2000. – №1. – с. 3-15. Баженов А.Г. Специализированный программный комплекс проектирования микромеханических инерциальных датчиков / А.Г. Баженов, Д. Г. Грязин, М. И. Евстифеев, Я. В. Беляев, Д. С. Молотков, А. С. Ковалев, Д. В. Розенцвейн, А. А. Унтилов, Ю. В. Шадрин // Гироскопия и навигация. – 2007. – №3. – С.52-61. Барулина М.А. Автоматизированная система расчета конструкции динамических характеристик микромеханических гироскопов / М.А. Барулина, В.Э. Джашитов // Материалы V конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». – СПб.: ЦНИИ «Электроприбор». – 2004. – С.71-80. Берштам Я.Н. Исследование сплавов с высоким внутренним демпфированием в конструкции микромеханического гироскопа / Я.Н. Берштам, М.И. Евстифеев, Д.П. Елисеев // Материалы XXIX конференции памяти Н.Н. Острякова. – 2014. – С.65-72. Биндер Я.И. Мобильная инклинометрическая станция на основе микромеханических чувствительных элементов для съемки траекторий стволов группы скважин подземной выработки /Я.И. Биндер, А.Е. Елисеенков, А.С. Лысенко, В.Г. Розенцвейн, В.М. Денисов, Д.А. Соколов // Гироскопия и навигация. – 2013. – №1. – С.95-106. Боронахин А.М. Исследование микромеханических чувствительных элементов в задачах диагностики рельсового пути / А.М. Боронахин, Л.Н. Подгорная, Е.Д. Бохман, Н.С. Филипеня, Ю.В. Филатов, Р.В. Шалымов, Д.Ю. Ларионов // Гироскопия и навигация. – 2012. – №.1. – С. 5766. Брозгуль Л.И. Вибрационные гироскопы / Л.И. Брозгуль, Е.Л. Смирнов // История механики гироскопических систем. – М.: «Наука». – 1975. – С. 43-60. Вагнер Й.Ф. Об измерении параметров движения спортсменов с помощью гироскопов и акселерометров. Технические аспекты // Гироскопия и навигация. – 2017. – №3. – С. 3-31. Власенко А. Новые инерциальные датчики IMU семейства iSensor // Компоненты и технологии. – 2010. – № 3 – С. 28-30. Гаврилова Т.Α. Базы знаний интеллектуальных систем / Т.Α. Гаврилова, В.Ф. Хорошевский /. – СПб.: Питер. – 2000. – 384 с. 157 Гай Э. Наводящиеся снаряды с инерциальной навигационной системой на микромеханических датчиках, интегрированной с GPS // Гироскопия и навигация. – 1998. – №3. – С. 72-81. Джашитов В.Э. Практикум по теории гироскопов с применением компьютерных технологий / В.Э. Джашитов, В.М. Панкратов, А.В. Голиков /. – СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2015. – 235 с. Евгенев Г.Б. Интеллектуальные системы проектирования: Учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. – 2009. – 334 с. Евстифеев, 2004а – Евстифеев М.И. Анализ компьютерных средств проектирования микромеханических гироскопов с позиций мехатроники / М.И. Евстифеев, С.Г. Кучерков, А.А. Унтилов, Ю.В. Шадрин, Е.В. Шалобаев // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2004. - №2, с.31-37. Евстифеев М.И. Вопросы обеспечения стойкости микромеханических гироскопов при механических воздействиях /М.И. Евстифеев, И.Б. Челпанов // Гироскопия и навигация. – 2013. – №1. – С.119-133. Евстифеев, 2004б – Евстифеев М.И. Классификационные признаки конструкций микромеханических гироскопов // Гироскопия и навигация. – 2004. – №.3 – С.30-37. Евстифеев М.И. Методы повышения стойкости микромеханических гироскопов к механическим воздействиям / М.И. Евстифеев, Д.П. Елисеев, И.Б. Челпанов // Гироскопия и навигация. – 2014. – №4. – С.56-68. Евстифеев, 2011а – Евстифеев М.И. Основные этапы разработки отечественных микромеханических гироскопов // Изв. ВУЗов, Приборостроение, 2011. – т.54, №6. – С.75-80. Евстифеев М.И. Проблемы проектирования и опыт разработки микромеханических гироскопов // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2009. – №6. – С.70-76. Евстифеев, 2011б – Евстифеев М.И. Результаты испытаний микромеханических гироскопов при механических воздействиях / М.И. Евстифеев, Д.П. Елисеев, А.С. Ковалев, Д.В. Розенцвейн // Гироскопия и навигация. – 2011. – №.1. – С.49-58. Евстифеев М.И. Состояние разработок и перспективы развития микромеханических гироскопов // Материалы II конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». – 2000. – с. 54-71. Евстифеев М.И. Требования к точности изготовления упругого подвеса микромеханического гироскопа / М.И. Евстифеев, А.А. Унтилов // Гироскопия и навигация. – 2003. – №2. – С.24-31. Журавлев В.Ф. Волновой твердотельный гироскоп / В.Ф. Журавлев, Д.М. Климов. – М.: «Наука», 1985. – 126 с. 158 Журавлев В.Ф. Обобщенный маятник Фуко в режиме управления углом прецессии // Изв. РАН, Механика твердого тела. – 2002. – № 5. – С. 37. Журавлев В.Ф. Управляемый маятник Фуко как модель одного класса свободных гироскопов // Изв. РАН, Механика твердого тела. – 1997. – № 6. – С. 27-33. Камаев В.А. Концептуальное проектирование. Развитие и совершенствование методов: [коллективная монография] / В.А. Камаев, Л.Н. Бутенко, А.М. Дворянкин, С.А. Фоменков, Д.В. Бутенко, Д.А. Давыдов, А.В. Заболеева-Зотова, И.Г. Жукова, А.В. Кизим, С.Г. Колесников, В.В. Костерин, А.В. Петрухин, М.В. Набока. – М.: Машиностроение. – 2005. – 321 с. Климов Д.М. Кварцевый полусферический резонатор (Волновой твердотельный гироскоп) / Д.М. Климов, В.Ф. Журавлев, Ю.К. Жбанов. – М.: Изд-во «Ким Л.А.», 2017. – 194 с. Ковалев А.С. Исследование возможности применения пакета программ CoventorWare в задаче проектирования микромеханического гироскопа // Материалы VI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». – 2005. – с.170-176. Ковалев А.С. Исследование режима функционирования микромеханического гироскопа с совмещенными частотами по осям первичных и вторичных колебаний / А.С. Ковалев, Д.Г. Грязин, Ю.В. Шадрин, Д.И. Лычев // Научное приборостроение. – 2007. – том 17. – №1 – с.91-97. Козин С. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий / С. Козин, А. Федулов, В. Пауткин, И. Баринов // Компоненты и технологии. – 2010. –№ 1. – С. 24-27. Коновалов С.Ф. Инерциальный метод измерения перемещений строительных свай в процессе забивки /С.Ф. Коновалов, В.П. Подчезерцев // Гироскопия и навигация. – 2013. – №4. – С.14-23. Кучерков С.Г. К вопросу о выборе конструктивных параметров микромеханического кольцевого вибрационного гироскопа / С.Г. Кучерков, Ю.В. Шадрин // Материалы III конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». – 2001. Ландау Б.Е. Современные тенденции развития чувствительных элементов инерциальных навигационных систем // Материалы I конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - 1999. - с.8797. Лукьянов Д.П. Прикладная теория гироскопов / Д.П. Лукьянов, В.Я. Распопов, Ю.В. Филатов /. – СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2015. – 316 с. Лукьянов Д.П. Современное состояние и перспективы развития твердотельных гироскопов на ПАВ / Д.П. Лукьянов, Ю.В. Филатов, С.Ю. 159 Шевченко, М.М. Шевелько, А.Н. Перегудов, А.С. Кукаев, Д.В.Сафронов // Гироскопия и навигация. – 2011. – №3. – стр.75-87. Матвеев В.В. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В.В. Матвеев, В.Я. Распопов /. – СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. – 280с. Неаполитанский А.С. Микромеханические вибрационные гироскопы / А.С. Неаполитанский, Б.В. Хромов. – М.: Когито-центр, 2002. – 122 с. Некрасов Я.А. Улучшение эксплуатационных характеристик отечественного микромеханического гироскопа RR-типа /Я.А.Некрасов, Н.В. Моисеев, С.В. Павлова, Р.Г. Люкшонков // Материалы XХI СанктПетербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. – 2014. – С. 226-235. Никулин А. Н. Экспертные системы: учебное пособие. – Ульяновск : УлГТУ, 2015. – 78 с. Режим доступа: http://venec.ulstu.ru/lib/disk/2016/75.pdf. Никулин А.В. База данных конструкций и базовые расчетные схемы чувствительных элементов микромеханических гироскопов // Материалы VIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». – 2006. – с.83-89. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования: учебник / М.: МГТУ. – 2006. – 336 с. Певцов Е.Ф. Основы моделирования и проектирования МЭМС в САПР CoventorWare [Электронный ресурс] Учебное пособие / Певцов Е.Ф., Деменкова Т.А., Аль-Натах Р.И. – М., Московский технологический университет (МИРЭА), 2016. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) Петропавловский Ю. Современные МЭМС-продукты компании Analog Devices. Часть 1, 2// Элементы и компоненты. – 2015. – № 6,7. Пешехонов В.Г. Микромеханические инерциальные преобразователи. Современное состояние и применение в военной технике /В.Г. Пешехонов, Л.П. Несенюк, Д.Г. Грязин // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2009. – №3. – С.28-32. Пешехонов В.Г. Микромеханический гироскоп, разрабатываемый в ЦНИИ «Электроприбор» / В.Г. Пешехонов, Л.П. Несенюк, Д.Г. Грязин, М.И. Евстифеев, Я.А. Некрасов, В.Д. Аксененко // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2008. – № 2. – С.29-31. Пешехонов В.Г. Отечественный микромеханический гироскоп RR-типа. Современное состояние и перспективы / В.Г. Пешехонов, М.И. Евстифеев, Я.А. Некрасов, Н.В. Моисеев, С.В. Павлова// Информационное противодействие угрозам терроризма. – 2012. – № 19. – С. 108-114. Пешехонов В.Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем // Гироскопия и навигация. – 2011. – №1. – С.3-16. 160 Распопов В.Я. Классификация конструкций микромеханических гироскопов / В.Я. Распопов, А.В. Никулин, В.В. Лихошерст // Известия ВУЗов, Приборостроение. – 2005. – т.48, №8. – С.5-8. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. – М.: Машиностроение, 2007. – 400 с. Ривкин Б.С. Аналитический обзор состояния исследований и разработок в области навигации за рубежом. – СПб: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017. – 58 с. Северов Л.А. Информационные характеристики вибрационного микромеханического гироскопа / Л.А. Северов, В.К. Пономарев, А.И. Панферов, Л.П. Несенюк, С.Г. Кучерков, Ю.В. Шадрин // Гироскопия и навигация. – 2003. – №1. – С.76-82. Северов Л.А. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития / Л.А. Северов, В.К. Пономарев, А.И. Панферов, А.В. Сорокин, С.Г. Кучерков, В.В. Лучинин, А.В. Корляков // Известия ВУЗов, Приборостроение. – 1998. – т.41, №1-2 – С.57-73. Северов Л.А. Структура и характеристики волнового микромеханического датчика угловой скорости с кольцевым резонатором / Л. А. Северов, В. К. Пономарев, А. И. Панферов, Н. А. Овчинникова // Гироскопия и навигация. – 2014. – №3. – С. 59-72. Селяков М.Ю. Отечественные и зарубежные CAD/САМ системы // Успехи современного естествознания. – 2011. – № 7. – С. 193-197. Сысоева С. Автомобильные гироскопы // Компоненты и технологии. – 2007. –№ 1. Сысоева С. Ключевые сегменты рынка МЭМС-компонентов. Инерциальные системы – от low-end до high-end сегментов // Компоненты и технологии. – 2010. – № 5. – С. 22-30. Телков А.Ю. Экспертные системы: Учебное пособие. – Воронеж: ВГУ, 2007. – 83 с. – Режим доступа: http://window.edu.ru/resource/548/59548/files/may07105.pdf. Тимошенков С. П. Разработка математического описания кольцевого резонатора микрогироскопа/ С.А. Анчутин, Е.С. Кочурина, В.Е. Плеханов, С.П. Тимошенков // Нано-и микросистемная техника. – 2014 – №5 – С.18-25. Филатов Ю.В. О перспективе создания микрооптического гироскопа // Гироскопия и навигация. – 2006. – №3. – 41-50. Хорошев А.Н. Основы системного проектирования технических объектов: Учебное пособие. – М., 2011. – 125 с. – Режим доступа: https://www.cfin.ru/management/controlling/sys_project.shtml#p3 Шадрин Ю.В. К вопросу построения контура обратной связи микромеханического гироскопа / Ю.В. Шадрин, Д.Г. Грязин, А.С. Ковалев, Д.И. Лычев // Научное приборостроение. – 2007. – том 17. – №2. – С.48-53. 161 Челпанов И.Б. Акустические испытания микромеханических гироскопов / И.Б. Челпанов, М.И. Евстифеев, А.В. Кочетков // Интернет-журнал «Науковедение». 2013. – № 5 (18) [Электронный ресурс]. – М. 2013. – Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/106tvn513.pdf, свободный – Загл. с экрана. Черемухин В.В. Исследование технических решений по повышению вибростойкости микромеханических гироскопов // Материалы XVII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». – СПб, 2015. – Режим доступа: www.elektropribor.spb.ru/cnf/kmu2015/text/151b.docx Acar C. MEMS Vibratory Gyroscopes. Structural Approaches to Improve Robustness / C. Acar, A. Shkel /. – Springer, 2009. – 262 p. Antonello R. MEMS Gyroscopes for Consumer and Industrial Applications / R. Antonello, R. Oboe // Microsensors. Prof. Igor Minin (Ed.), InTech. – 2011. – pp.253-280. Apostolyuk V. Coriolis Vibratory Gyroscopes. Theory and Design. – Springer, 2016. – 122 p. Armenise M. N. Advances in Gyroscope Technologies / M. N. Armenise, C. Ciminelli, F. Dell’Olio, V. Passaro /. – Springer, 2010. – 123 p. Ayazi F. A HARPSS Polysilicon Vibrating Ring Gyroscope / F. Ayazi, K. Najafi // Journal of Microelectromechanical Systems, 2001. – vol. 10, No. 2. – pp.169-179. Barbour N. Inertial Instruments: Where to Now? / N. Barbour [et al.] // Proceedings of 1st International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, Saint Petersburg, Russia. – 1994. – pp. 11-22. Barbour N. Inertial Navigation Sensors / N. Barbour // Advances in Navigation Sensors and Integration Technology: RTO Lecture Series 232. – Saint Petersburg, Russia. – 27-28 May, 2004. – pp.2.1-2.22. Barbour N. Micro-Electromechanical Instrument and Systems Development at Draper Laboratory / N. Barbour [et al.] // Proceedings of 3rd Saint Petersburg International Conference of Integrated Navigation Systems. – 1996. – part 1. – pp. 3-10. Dean, 2011a– Dean R.N. Characterization of the Performance of a MEMS Gyroscope in Acoustically Harsh Environments / R. N. Dean [et al.] // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2011. – vol. 58, №7. –pp. 25912596. Dean, 2011b – Dean R.N. Microfibrous metallic cloth for acoustic isolation of a MEMS gyroscope / R. N. Dean [et al.] // Proceeding of SPIE 7979, Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies. – 2011. – URL: http://dx.doi.org/10.1117/12.880624. 162 Deppe O. MEMS and FOG Technologies for Tactical and Navigation Grade Inertial Sensors – Recent Improvements and Comparision / O. Deppe [et al.] // Sensors 2017, 17, pp.1-22. Doronin V.P. Operation Principle and Basic Errors of Vibratory Gyroscopes as Rotation Angle Measuring Device / V.P. Doronin [et al.]// Proceedings of 4th Saint-Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, CSRI “Elektropribor”. – 1997. – pp.337-346. Edu I.R. Current technologies and trends in the development of gyros used in navigation applications: a review / I.R. Edu, R. Obreja, T.L. Grigorie // Proceedings of the 5th WSEAS International Conference on Communications and Information Technology (CIT’11). – 2011. – pp.63-68. Режим доступа: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.459.9861&rep=r ep1&type=pdf Froyum K. Honeywell Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Inertial Measurement Unit (IMU) / K. Froyum [et al.] // Proceedings of Position, Location and Navigation Symposium, PLANS-2012. – pp.831-836. Gaißer A. Evaluation of DAVED – Microgyros Realized with a new 50 m SOI – Based Technology / A. Gaißer [et al.] // Proceedings of Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany. – 2003. – pp.4.0-4.7. Geen J. New iMEMS Angular-Rate-Sensing Gyroscope / J. Geen // Analog Dialogue Volume. – March, 2003. – pp. 12-15. Geen J. Progress in Integrated Gyroscopes / J. Geen // IEEE A&E Systems magazine – November, 2004. – pp. 12-17. Geiger W. A Silicon Rate Gyroscope with Decoupled Driving and Sensing Mechanisms MARS-RR / W. Geiger [et al.] // Proceedings of Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany. – 1998. – pp.2.0-2.8. Geiger W. Decoupled Microgyros and the Design principle DAVED / W. Geiger [et al.] // Sensor and Actuators. – 2002. – №95. – рр. 239-249. Giradin G. High End Inertial Systems Market Overview // Proceedings of DGON Inertial Sensors and Systems (ISS). – 2017. – P22, pp.1-26. Goodall C. The Battle Between MEMS and FOGs for Precision Guidance / C. Goodall, S. Carmichael, B. Scannell // Analog Devices, Technical Article MS-2432, 2013, pp.1-6. Gregory J.A. Characterization, Control and Compensation of MEMS Rate and Rate-Integrating Gyroscopes // PhD Dissertation, University of Michigan, 2012. – 198 p. Habibi S. Gun Hard Inertial Measurement Unit based on MEMS capacitive accelerometer and rate sensor / S. Habibi [et al.] // Proceedings of IEEE/ION PLANS 2008, May 6 - 8, 2008. – pp. 232-237. Johnson B. Development of a MEMS Gyroscope for Northfinding Applications / B. Johnson [et al.] // Proceedings of Position, Location and Navigation Symposium, PLANS-2010. – pp.168-170. 163 Kempe V. Inertial MEMS. Principle and Practice. – Cambridge University Press. – 2011. – 497 p. Krueger S. Microsystems for Automotive Industry / S. Krueger, R. MullerFieder, S. Finkbeiner, H.-P. Trah // MST News. – March 2005. – pp. 8-10. Kühne S. Active electrostatic MEMS bearing for inertial sensing applications // DS Dissertation, University of Zurich, 2012. – 190 p. Lapadatu D. SAR500 – A High-Precision High-Stability Butterfly Gyroscope with North Seeking Capability / D. Lapadatu, B. Blixhavn, R. Holm, T. Kvisterøy // Proceeding of Position, Location and Navigation Symposium, PLANS-2010. – pp.6-13. Leger P. Quapason – A New Low-Cost Vibrating Gyroscope // Proceedings of 3rd Saint Petersburg International Conference of Integrated Navigation Systems. – 1996. - part 1. - pp. 143-149. Mochida Y. A micromachined vibrating rate gyroscope with independent beams for the drive and detection modes / Y. Mochida, M. Tamura, K. Ohwada // Sensors and Actuators. – 80. –2000. – pp.170–178. Murakoshi T. Electrostatically Levitated Ring-Shaped RotationalGyro/Accelerometer / T. Murakoshi, Y. Endo, K. Fukatsu, M. Esashi // Japanese Journal of Applied Physics, 2003. – №42. – pp.2468-2472. Neul R. Micromachined Angular Rate Sensors for Automotive Applications / R. Neul, U. Gomez, K. Kehr, W. Dfuer, J. Classen, C. Doring // IEEE Sensors Journal. – 2007. – vol.7, No.2. – pp. 302-309. Nguyen C. The Harsh Environment Robust Micromechanical Technology (HERMiT) Program: Success and Some Unfinished Business // Microwave Symposium Digest (MTT), 2012 IEEE MTT-S International, June 2012, pp. 1-3. Perlmutter M. The Future of the MEMS Inertial Sensors Performance, Design and Manufacturing / M. Perlmutter, Breit S. // Proceeding of Inertial Sensors and Systems, Karlsruhe, Germany. – 2016. – pp.1-12. Prikhodko I. Mode-Matched MEMS Coriolis Vibratory Gyroscope: Myth or Reality? / I. Prikhodko [et al.] // Proceedings of Position, Location and Navigation Symposium, PLANS-2016. – pp.1-4. Prikhodko I.P. Foucault pendulum on a chip: Rate integrating silicon MEMS gyroscope / I.P. Prikhodko [et al.]// Sensors and Actuators A: Physical, vol. 177. – 2012. – pp.67-78. Sang Won Yoon. Analysis and wafer-level design of a high-order silicon vibration isolator for resonating MEMS devices /Sang Won Yoon [et al.] // J. Micromech. Microeng. 21 (2011). – pp. 1-12. Sang Won Yoon. Vibration Isolation and Shock Protection for MEMS // Ph.D. Dissertation University of Michigan. – 2009. – 208 p. Saraswathy S.G., High Performance Gyro with Fast Startup Time, High Range, Wide Bandwidth, Low Noise and Excellent Vibration Immunity / S.G. 164 Saraswathy, J. Geen, J. Chang // Proceedings of Position, Location and Navigation Symposium, PLANS-2012. – pp.20-23. Schmidt G. INS/GPS Technology Trends / G. Schmidt // Advances in Navigation Sensors and Integration Technology: RTO Lecture Series 232. – Saint Petersburg, Russia. – 27-28 May, 2004. – pp.1.1-1.16. Senkal D. Demonstration of 1 Million Q-Factor on Microglassblown Wineglass Resonators With Out-of-Plane Electrostatic Transduction / D. Senkal [et al.] // Journal of Microelectromechanical Systems. – 2015. – vol. 24, No. 1. – pp. 29-37. Sensor in Motion. MEMS Symmetrical Resonating Gyroscope Brief. Режим доступа: http://www.sensorsinmotion.com/wpcontent/uploads/2014/09/SensorsinMotionWhitePaper.pdf Serrano D.E. Design and Analysis of MEMS Gyroscopes // Режим доступа: http://ieee-sensors2013.org/sites/ieeesensors2013.org/files/Serrano_Slides_Gyros2.pdf. Sharma A. A 0.1°/hr Bias Drift Electronically Matched Tuning Fork Microgyroscope / A. Sharma, M.F. Zaman, M. Zucher, F. Ayazi // Proceeding of MEMS 2008, Tucson, AZ, USA, January 13-17, 2008. – pp.6-9. Shearwood C. Development of a levitated micromotor for application as a gyroscope / C. Shearwood, K.Y. Ho, C.B. Williams, H. Gong // Sensors and Actuators. – 2000. – N83. – pp.85–92. Shkel A. Micromachined Gyroscopes: Challenges, Design Solutions and Opportunities / A. Shkel, R. Howe, R. Horowitz // Proceedings of IARP International Workshop on Micro Robots, Micro Machines and Systems, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia. – 1999. - pp.27-34. Shkel A. Type I and Type II Micromachined Vibratory Gyroscopes / A. Shkel // Proceedings of Position Location and Navigation Symposium. PLANS2006. – 2006. – pp.586-593. STMicroelectronics. Everything about STMicroelectronics’ 3-axis digital MEMS gyroscopes // Technical article TA0343. – 2011. – 40 p. Trusov A.A. Low-Dissipation Silicon Tuning Fork Gyroscopes for Rate and Whole Angle Measurements / A.A. Trusov [et al.]// IEEE Sensors Journal. – 2011. – vol. 11, No. 11. – pp.2763-2770 Tsuchiya T. Vibrating gyroscope consisting of three layers of polysilicon thin films / T. Tsuchiya [et al.] // Sensors and Actuators. – 82. – 2000. – pp.114–119. Varadan V.K. Design and development of a MEMS-IDT gyroscope / V.K. Varadan [et al.] //Smart Mater. Struct. – 2000. – №9. – pp.898-905. Weinberg H. Gyro Mechanical Performance: The Most Important Parameter // Technical Article MS-2158. Analog Devices, Inc. – September 2011. – pp.1-5. 165 Weinberg M. Error Sources in In-Plane Silicon Tuning-Fork MEMS Gyroscopes / M. Weinberg, A. Kourepenis // Journal of Microelectromechanical Systems. – 2006. – vol. 15, No. 3. – pp.479-491. Wood D. A Monolythic Three-Axis Gyroscope // MST News, 20/97, pp.14-15. Xia D. The Development of Micromachined Gyroscope Structure and Circuitry Technology / D. Xia, C. Yu, L. Kong // Sensors 2014, 14, pp.1394-1473. Zaman, M. High Performance Matched-Mode Tuning Fork Gyroscope / M. Zaman, A. Sharma, F. Ayazi // Proceedings of MEMS 2006, Istanbul, Turkey. – 2006. – pp.66-69. 166 АНГЛО-РУССКИЙ СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ ПО ТЕМАТИКЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ A Acceding – присоединение Adjacent – соседний, расположенный рядом, граничащий с чем-либо Alignment mark – знак совмещения, метка соосности, юстировочная метка Alignment patterning – формирование меток Alignment target – знак (метка) совмещения Alloy – сплав Amplifier – усилитель Anchor pattern – формирование опорной поверхности Anchor point – точка крепления Anchorage – опора Anchorage surface – опорная поверхность Angular Rate Gyroscope – датчик угловой скорости Annealing – отжиг Anti-sticking pad – площадка, предохраняющая от сваривания, слипания Anti-stiction bump – столбик контактный (предохраняет от прилипания) ASIC (Applications Specific Integrated Circuit) – специализированная микросхема Aspect ratio – отношение глубины к ширине (используется при оценке качества травления) B Back-end process – процесс внутренний (промежуточная стадия) Back-end yield – выход годных образцов в процессе выполнения промежуточной стадии Ball bonding – термокомпрессионная сварка шариком Band – лента, полоса, зона Bandwidth – полоса пропускания, частотный диапазон Bare die – бескорпусный кристалл Base (mounting) – основание (для крепления диска) Batch – партия, порция BAW Gyroscope (BAW – bulk acoustic wave) – гироскоп на объемных акустических волнах Beam – упругий элемент, стержень, стойка Beam array – структура (конструкция) стержней, конфигурация подвеса Bias – смещать, отклонять Bonding – сварка, соединение, склеивание, металлизация Boron – бор (хим. вещество) Boundary – граница (линия, поверхность) раздела 167 Breakdown field intensity –напряженность поля при электрическом пробое Breakdown voltage – напряжение пробоя Bulk – масса, внутренняя структура, объемная структура Bulk plug – объемная оправка (вставка) Bulk technology – технология объемная Bulk-micromachined – объемная обработка Buried oxide - углубленный оксид (окисел) C Cabling – разводка монтажных соединений Cap – крышка Cap process – процесс изготовления крышки Capacitance – емкость электрическая Casting – формообразование, центробежное литье фоторезиста на поверхность пластины Cavity – полость, впадина Cell – элемент, ячейка Chain – цепочка, цепь Chemical etching – травление химическое Chip – чип, микросхема Chipping – монтаж кристалла (интегральной микросхемы) Closed-loop operation – работа в замкнутом контуре Clue – цоколевка (разводка) выводов Coercive force – коэрцитивная сила Comb drive (comb structure) – устройство для создания первичных колебаний в виде гребенки, гребенчатый двигатель Concave – изгибать вовнутрь, делать вогнутым Contact report – контактная площадка Convention – условное обозначение Convex – выпуклый Coriolis Vibratory Gyroscope – кориолисовый вибрационный гироскоп, датчик угловой скорости Coupling – связь (соединение, стыковка) Cross mark – метка в виде креста Crossing – пересечение, перекрещивание Crystallinity – упорядоченность структуры (кристалличность) D Damping – демпфирование Datasheet – техническая спецификация Decoupling – развязка по механическим и электрическим связям, отсутствие связанности колебаний Deep ion etching – глубокое ионное травление 168 Degree of freedom (DoF) – степень свободы Deposition – напыление, покрытие, осаждение Detrimental – приносящий ущерб, вредный Detuning – расстройка Deviation – отклонение Dicing (slicing cleaving) – разрезание полупроводниковой пластины на чипы (скрайбирование) Dicing pattern – формирование маски для разрезания Die – кристалл, чип Die attach – присоединение кристалла Die substrate – подложка кристалла Dielectric loss – диэлектрические потери Dielectric capacitivity (electrical permittivity) – диэлектрическая проницаемость Diffusion – диффузия Dioxide – двуокись, диоксид Doping – легирование Drawing (a process) – извлечение, удаление (технологический процесс) DRIE (Deep Reactive Ion Etching) – реактивное ионно-плазменное травление Drive – устройство для создания первичных колебаний Drive mode – создание и поддержание первичных колебаний Drive System – система для создания и поддержания первичных колебаний Dry etching – сухое или газовое травление E Edge – кромка, край Eigen frequency (natural frequency) –собственная частота Eigen mode – собственная мода колебаний Elastic suspension – упругий подвес Electrical resistivity – электрическое удельное сопротивление Epi-Soi process – процесс эпитаксиального выращивания кремния на пластине с изолятором Epitaxy – эпитаксия (наращивание) Etchant – травильное вещество (травитель) Etched circuit– печатная плата, полученная травлением Etching – травление, вытравливание Eutectic sealing – эвтектичное впаивание (соединение расплавом) Evacuation (vacuumization) – вакуумирование Evaporation – испарение, напыление, парообразование Excitation – возбуждение Extremity – крайняя часть, конечная точка 169 F Fabrication – изготовление Feature – деталь (элемент) FEM (field emission microscopy) – автоэмиссионная микроскопия FEM (Finite Element Modeling) – конечно-элементный анализ Field intensity – напряженность поля Filling – заполнение, наполнение в технологическом процессе Film deposition – нанесение пленки Final tests – испытания образца по окончании сборки Flatness – плоскостность Flip chip technology (flip chipping) – технология монтажа методом перевернутого кристалла, когда кристаллы соединяются друг с другом своими внешними контактами (без проволочного монтажа – wire bonding) FPGA (field-programmable gate array) – программируемая (пользователем) матрица логических элементов Frequency response – частотная характеристика Front-end yield – выход годных образцов на заключительной стадии изготовления G Gap – зазор, промежуток GDSII layout (graphic database system) – формат файлов, используемый при изготовлении фотомасок (топологии ИС) в микроэлектронике Getter – газопоглотитель, геттер Glass plane substrate – подложка стеклянная плоская Groove – желобок (вырез, паз) Guide mark – метка, отметка, установочная метка H Heat capacity - теплоемкость High-aspect ratio micromachining – травление глубоких пазов High-end – дорогостоящий, высшего класса I IC layout – топология интегральной микросхемы Imperfection – неидеальность (искажение, дефект) Implant – имплантат, имплантированная примесь Implantation – имплантация, введение чего-либо во что-то Impurity – примесь, загрязнение Infiltration – инфильтрация, просачивание, проникновение In-plane motion – движение (механическое) в плоскости инерционного тела Integrated MEMS (iMEMS) – интегрированная микроэлектромеханическая система 170 Interdiffusion – взаимная диффузия InterDigital Transducer (IDT) – встречно-штыревой преобразователь L Layer – слой Lay-out –контурный монтаж Layout (lay-out) – компоновка, расположение внутри объема, разметка LCC (leadless chip carrier) – корпус с безвыводным кристаллодержателем Limit of elasticity – предел упругости Linear Gyroscope (LL-type) – гироскоп с поступательными первичными и вторичными движениями инерционного тела. Lithography – литография Low-end – недорогой, бюджетный, низкого класса LPVCD (low-pressure chemical vapor deposition) – химическое осаждение из газовой фазы при пониженном давлении M Magnetic permeability – магнитная проницаемость Mapping – отображение (разводка) контактов Mask – маска, фотошаблон Mask plate – фотошаблон Mask set – набор масок, набор фотошаблонов Mass density – удельный вес Membrane – мембрана, пластина, оболочка, изолирующее покрытие Mesa – мезаструктура (термин используется в травлении) Micro Electro Mechanical System (MEMS) – микроэлектромеханическая система Micromechanical Gyroscope (MEMS Gyro) – микромеханический гироскоп Mismatch – рассогласование Mode-Matched Tuning Fork Gyroscope (M2-TFG) – камертонный гироскоп с совмещенными частотами Mode-Matching – процедура совмещения частот первичных и вторичных колебаний Modulus of elasticity – модуль Юнга, модуль упругости Multi Core Gyroscope – гироскоп с несколькими инерционными телами Multi DoF Gyroscope – гироскоп с несколькими степенями свободы Multi Mass Gyroscope – гироскоп с несколькими инерционными телами (Single Mass Gyro – одно тело, Double Mass Gyro – два тела, Quadruple Mass Gyro – четыре тела). N Nitride – нитрид Non-uniformity – неравномерность 171 Notch – вырез, прорезь, подпил, провал Notching – вырезание, пропил O Open-loop operation – работа в разомкнутом контуре Out-of-plane motion – движение (механическое) в направлении, перпендикулярном плоскости инерционного тела Overetch(ing) – перетравление (вытравливание) Overlap – частично перекрывать, накладываться Oxide – окисел, окись, оксид P Packaging (encapsulation) – корпусирование, монтаж в корпусе, установка (чего-л.) в корпусе Pad – контактная площадка, наплавленный слой, прилив (в том числе токоведущая дорожка) Passivation – пассивация, пассивирование, поверхностная протравка Pattern – образец, модель, шаблон, рисунок Patterning (of a layer) – формирование изображения рисунка (слоя, маски), изготовление по образцу PCB (Printed Circuit Board) – печатная плата Perturbation – нарушение, помеха, возмущение PEVCD (plasma enhanced chemical vapor deposition) – плазмохимическое осаждение из газовой фазы Photolithography (photolithographic processing) – фотолитография Photoresist – фоторезист Pin configuration – расположение выводов Pitch – шаг между элементами чипа на пластине, длина шага Polysilicon – кремний поликристаллический Primary (fundamental) mode – первичная (основная) мода колебаний Print – отпечаток, копия Process flow (processing) – технологический процесс Process flow refinement (maturization, prove-out) – отработка технологии Process step – этап технологический Profilometer – измеритель шероховатости, профилометр Proof mass – инерционное тело Propriety (of material) – особенность, специфика (материала) Protection layer – защитный слой Pull-in – слипание подвижных электродов при минимальном электрическом напряжении Pull-in stiction – залипание резкое (внезапное) Q 172 Quadrature disturbance –квадратурная помеха Quality factor - добротность R Rate Integrating Gyroscope – гироскоп, измеряющий угловые колебания основания Readout electrode – считывающий электрод Rear face – задняя грань (поверхность) Rejection – отбраковка Release hole – отверстие для травления Release structure – изготовление подвижной структуры Resistivity – удельное сопротивление, электрическое сопротивление Rinsing – промывание, промывка, полоскание Robust process – устойчивый процесс Routing – трассировка (разводка для электрических схем) Rugosity – шероховатость, морщинистость S Sacrificial layer – жертвенный слой, который удаляется при травлении Saw – распиливать SAW Gyroscope (SAW – surface acoustic wave) – гироскоп на поверхностных акустических волнах Sawing – распиливание (технологический процесс) Scratch – царапина Scribing – скрайбирование, разрезка платины на отдельные кристаллы Sealing – герметизация Sealing cord – впаянная лента Secondary (detect) mode – вторичная (измеряемая) мода колебаний, вызванных силами инерции Кориолиса SEM (scanning electron microscope) – сканирующий электронный микроскоп Sense mode – измерение вторичных колебаний Sense system – система для измерения вторичных колебаний Sensing cell – чувствительный элемент (ячейка) Sensitivity axis – ось чувствительности Short-circuit – короткое замыкание Silicon – кремний Silicon bulk – массив (масса) кремния Silicon Foundry – предприятие по обработке кремния Single-crystal silicon – монокристаллический кремний SOI (Silicon On Insulator) – кремний на изоляторе Solder sealing – герметизация пайкой Spacer – материал для заполнения пустот, прокладка 173 Spacing – расстояние, промежуток, зазор Species – разновидности, виды Specific heat capacity – удельная теплоемкость Splicing, coupling – сращивание пластин Spring constant – жесткость пружины – Sputtering – напыление Square signal – сигнал прямоугольной формы Step-by-step checking – контроль пооперационный Sticking – прилипание, схватывание Sticking layer – прилипающий слой Sticking (stiction, adhesion) – залипание, прилипание, сцепление Stiffness – жесткость (негибкость) Stop layer – стоп-слой, останавливающий химический процесс Stress – напряжение (механическое) Stripping – удаление, очистка, снятие Structure Release – получение подвижной структуры ЧЭ Superficial layer – поверхностный слой Surface technology – технология поверхностная Surface-micromachined – поверхностная обработка SoC (System-on-a-Chip) – система на кристалле T Template (mask) – шаблон Test – испытание Thermal conductivity - теплопроводность Thermal expansion – тепловое расширение Thickness – толщина Thin film – тонкая пленка, покрытие Thrust – осевое усилие, осевое давление Tolerance – допуск (технол., конструктивн.) Tooth (finger, tine) – зубец гребенки Torsional Gyroscope (RR-type) – гироскоп с вращательными первичными и вторичными колебаниями инерционного тела. Transducer – преобразователь Trench (более употребит. – groove) – канавка, бороздка Tuning Fork Gyroscope (LR-type) – камертонный гироскоп U Undercutting – подрезание, подтравливание Underetching – подтравливание, недотравливание V Vacuum furnace – вакуумная печь 174 Vacuum sealed module – вакуумированный модуль Vertex – вершина, верхушка, наивысшая точка, узел W Wafer – «вафля», пластина кремния Wafer bowing – изгибание (прогибание) пластины Wafer level – изготовление и испытания на уровне пластины Wafer test – проверки кремниевой пластины до разрезки Wedge bonding – клиновая микросварка (микросоединение) Weld – сварка, сваривание, сварной шов Wet etching – жидкостное травление Wheel gyro – гироскоп с инерционным телом в виде диска Whole Angle Mode Gyroscope – гироскоп, измеряющий угловые колебания основания Width – ширина дорожки Wire bonding – сварка (пайка) методом проволочного монтажа Y Yield – выход годных образцов Yield stress – предел текучести 175 Миссия университета – генерация передовых знаний, внедрение инновационных разработок и подготовка элитных кадров, способных действовать в условиях быстро меняющегося мира и обеспечивать опережающее развитие науки, технологий и других областей для содействия решению актуальных задач. ИСТОРИЯ КАФЕДРЫ ИНФОРМАЦИОННО-НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ Кафедра «Информационно-навигационные системы» является одной из старейших в университете. В 30-е гг. XX века отечественная промышленность приступила к созданию новых навигационных приборов – гирокомпасов, лагов, эхолотов. В связи с этим в 1934 г. рядом предприятий и организаций было внесено предложение во Всесоюзный совет народного хозяйства (ВСНХ) СССР о подготовке необходимых инженерных кадров. В сентябре 1937 г. была создана кафедра навигационных приборов. С 1937/38 учебного года на кафедре была начата подготовка специалистов. В разработке профиля кафедры принимали участие видные ученые и специалисты промышленности и флота страны, в том числе академик А.Н. Крылов, профессора Б.И. Кудревич и К.С. Ухов, доцент Д.Н. Иконников, инженеры М.М. Блиок, М.А. Шиф и многие другие. Первым заведующим кафедрой стал профессор Л.П. Шишелов, занимавший в то время должность декана факультета «А» (точной механики). В том же 1937 г. на кафедре организована лаборатория, заведующим которой был назначен П.А. Ильин. Он окончил ЛИТМО в 1931 г. в числе первых выпускников и, приобретя опыт работы на производстве, в 1936 г. поступил в аспирантуру. С этого момента вся его деятельность была связана с кафедрой и направлена на совершенствование учебного процесса. Благодаря его активной деятельности и связям с промышленностью лаборатория была оснащена современными на тот период навигационными приборами, а учебный процесс обеспечен необходимыми учебными посо176 биями. В 1940 г. состоялся первый выпуск инженеров по навигационным приборам. Во время Великой Отечественной войны в период блокады Ленинграда на время эвакуации ЛИТМО лабораторное оборудование кафедры оставалось в осажденном городе и было сохранено. Поэтому практически сразу после реэвакуации института в 1944 г. на кафедре были возобновлены занятия. С 1945 г. по 1962 г. кафедру возглавлял крупный ученый в области навигации, гидрографии, штурманских приборов, доктор технических наук, профессор К.С. Ухов, который при поддержке профессора Б.И. Кудревича основал научно-педагогическую школу «Навигационные приборы». При нем в 1956 г. в связи с изменением номенклатуры специальностей кафедра была переименована в кафедру гироскопических и навигационных приборов. Чтобы удовлетворить потребности промышленности, в эти годы на кафедре обучалось от 4 до 5 групп студентов, включая группы вечернего образования. С 1963 г. по 1970 г. кафедрой заведует (по совместительству) главный инженер Ленинградского научно-производственного объединения «Азимут», лауреат Ленинской премии, доктор технических наук, профессор С.Ф. Фармаковский. В этот период коллектив кафедры значительно укрепил и расширил связи с промышленностью. В гироскопическом приборостроении получают развитие газовые опоры как в осях подвеса, так и в качестве главных опор ротора гироскопа. На кафедре гироскопических и навигационных приборов разрабатываются теоретические основы расчета и проектирования газодинамических подшипников. Результаты использованы в НПО «Азимут» и других организациях. Во второй половине 60-х гг. под руководством профессора П.А. Ильина разворачиваются работы по исследованию и разработке лазерных гироскопов. Для проведения работ по договорам с Московским институтом электроавтоматики при кафедре в 1966 г. создается отраслевая лаборатория квантовой гирометрии под научным руководством с.н.с. Г.М. Кузнецова. В 1969 г. в издательстве «Машиностроение» публикуется монография д.т.н., профессора М.А. Сергеева «Наземные гирокомпасы». В 1970 г. он избирается по конкурсу заведующим кафедрой и руководит ею до 1982 г. В промышленности ведутся работы по созданию космических летательных аппаратов, сверхзвуковых самолетов, атомных подводных лодок, межконтинентальных ракет. В этих условиях кафедра расширяет профиль подготовки специалистов и в 1973 г. переименовывается в кафедру бортовых приборов управления. С 1982 г. по 1991 г. кафедру возглавляет профессор В.А. Каракашев, создавший совместно со своими учениками О.Н. Анучиным и Г.И. Емельянцевым (впоследствии доктора наук) научно-педагогическую 177 школу «Инерциальные навигационные системы». На кафедре разрабатываются новые учебные планы, совершенствуется преподавание дисциплин, большое внимание уделяется внедрению в учебный процесс вычислительной техники. Преподаватели кафедры проходят переподготовку и повышение квалификации в области вычислительной техники. На кафедре ведутся научно-исследовательские работы совместно и по заказам навигационно-гидрографического института, ЦНИИ «Электроприбор», завода «Баррикада» в Волгограде. С 1991 г. кафедру возглавляет директор ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор» (в настоящее время АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»), лауреат Ленинской и Государственной премий, в то время членкорреспондент, впоследствии академик РАН В.Г. Пешехонов. Под руководством В.Г. Пешехонова кафедра ориентируется на подготовку специалистов в области создания приборов и систем, измеряющих перемещения, скорости и ускорения морских подвижных объектов и образующих интегрированные навигационно-управляющие комплексы судов и кораблей различного назначения, а также комплексы пространственной ориентации и стабилизации информационно-измерительной аппаратуры на их борту. В соответствии с произошедшими изменениями в научной и педагогической деятельности кафедры в апреле 2003 г. кафедра получила свое современное наименование – она была переименована в кафедру информационнонавигационных систем. По инициативе академика В.Г. Пешехонова, начиная с 2004/05 учебного года, студенты и преподаватели кафедры активно включаются в межвузовскую программу интенсивной подготовки специалистов, которая реализуется на базе ЦНИИ «Электроприбор». С этой целью между ЦНИИ «Электроприбор» и тремя ведущими университетами города (СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», СПбГУ ИТМО и СПб ГУАП) заключается и успешно реализуется соглашение о межвузовской углубленной подготовке инженерных кадров и проведении совместных научных исследований в области навигации на базе ЦНИИ «Электроприбор». В сентябре 2008 г. кафедра преобразуется в базовую при ЦНИИ «Электроприбор». За работы в области объединения усилий вузов при подготовке специалистов коллективу, в состав которого вошли профессора СПб ГЭТУ «ЛЭТИ» Ю.В. Филатов и Ю.А. Лукомский, а также д.т.н. О.А. Степанов (ЦНИИ «Электроприбор»), в 2010 г. присуждается премия Правительства Санкт-Петербурга «За выдающиеся достижения в области высшего и среднего профессионального образования за 2010 г.» в области интеграции образования, науки и промышленности. Укрепляется международное сотрудничество, в частности с международной общественной организацией «Академия навигации и управления движением», учрежденной в 1995 г. как общественное объединение ведущих ученых в области навигации и управления движением и в настоящее 178 время насчитывающей более 400 членов, работающих в различных университетах и организациях десяти стран (России, Украины, Германии, США, Франции, Китая, Южной Кореи, Белоруссии, Турции, Индии). Ведущие профессора кафедры читают лекции в Китае и Финляндии, активно выступают с докладами на авторитетных международных и российских конференциях. В 2011 г. в ЦНИИ «Электроприбор» открывается новый комплекс учебных помещений, включающий лабораторию, компьютерный класс и зону отдыха для студентов. Лаборатория, оснащенная современным оборудованием для проведения лабораторных работ, фактически является центром коллективного пользования для ведущих вузов города, готовящих специалистов в области навигации и управления. В 2012 г. кафедра информационно-навигационных систем отметила свой 75-летний юбилей. Кафедра активно участвует в реализации Программы повышения конкурентоспособности Университета ИТМО, в частности, в 2014 г. в рамках открытого конкурса создана международная научная лаборатория «Интегрированные системы ориентации и навигации» (руководители: Степанов О.А. – профессор, д.т.н., заместитель заведующего кафедрой; Троммер Г.Ф. – профессор, директор Института оптимизации систем Технологического университета Карлсруэ (Германия). Ее сотрудники проводят исследования по различным направлениям, связанным с научной тематикой кафедры. За последнее время выполнены работы в рамках семи грантов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований, и работы по крупному проекту, поддержанному Российским научным фондом, на тему «Решение проблемы высокоточных измерений гравитационного поля в труднодоступных районах Земли с подвижных объектов». В 2014–2016 гг. по результатам научных исследований опубликовано значительное количество печатных работ, в том числе более 120 публикаций, рецензируемых в базах Scpopus и Web of Science. Начиная с 2018/2019 учебного года в ходе структурных преобразований в Универститете ИТМО образовательные программы бакалавриата и магистратуры кафедры – «Управление движением и навигация» и «Системы управления движением и навигации» (научный руководитель программ – д.т.н. проф. Степанов О.А.) теперь реализуются на факультете Систем управления и робототехники Университета ИТМО, входящего в состав мегафакультета Компьютерных технологий и управления. Сама же кафедра с 1 сентября преобразована в Институт информационно-навигационных систем, который входит в структуру мегафакультета. Такое преобразование было предложено лишь нескольким кафедрам, на которых выполняется значительный объем научных исследований и реализуются уникальные совместные образовательные программы с ведущими предприятиями города. 179 Возглавил Институт ИНС, как и ранее кафедру, генеральный директор АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», академик РАН В.Г. Пешехонов. Реализации образовательных программ, направленных на подготовку специалистов области навигации и управления движением, на основе тесного взаимодействия Института ИНС с «ЦНИИ «Электроприбор», обеспечивает все необходимые условия для освоения важной профессии, связанной с созданием информационно-навигационных систем, и проведением в этой области научных исследований на современном уровне. 180 Евстифеев Михаил Илларионович Методы проектирования конструкций микромеханических гироскопов Учебное пособие Редактор О.М. Яшникова Редакционно-издательский отдел Университета ИТМО Зав. РИО Н.Ф. Гусарова Подписано к печати Заказ № Тираж Отпечатано на ризографе 181 Редакционно-издательский отдел Университета ИТМО 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 182
