Текст книги "Микромеханические системы и элементы"

Описываемые гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей, за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса».

Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца. По периметру кольца равномерно расположены восемь приводов/преобразователей. При этом есть одна пара приводов «первичного движения» и одна пара первичных снимающих преобразователей, расположенных относительно их главных осей (0° и 90°). Две пары вторичных переключающих преобразователей расположены относительно их вторичных осей (45° и 135°). Приводы первичного движения и первичные переключающие преобразователи действуют вместе в замкнутой системе, чтобы возбуждать и контролировать первичную рабочую амплитуду вибрации и частоты (22 кГц). Вторичные снимающие преобразователи распознают радиальное движение на вторичных осях, величина которого пропорциональна угловой скорости вращения, благодаря которой гироскоп обретает угловую скорость.

Преобразователи производят двухполосный сжатый передающий сигнал, демодулирующийся обратно в полосы, ширина которых контролируется пользователем одним простым внешним конденсатором. Это дает пользователю возможность полностью контролировать производительность системы и делает преобразование абсолютно независимым от постоянного напряжения или низкочастотных параметрических условий электроники. На рис. 1.3 продемонстрирована структура кремниевого кольца сенсора, показывающая приводы первичного движения «PD» (одна пара), первичные снимающие преобразователи «PPO» (одна пара – слева) и вторичные снимающие преобразователи «SPO» (две пары – справа).

Рис. 1.3. Иллюстрация структуры кремниевого кольца сенсора с приводами

На рис. 1.4 схематично показано кольцо, при этом спицы, приводы и преобразователи удалены для ясности. В данном случае гироскоп выключен, кольцо круглое.

Рис. 1.4. Иллюстрация кольца в положении покоя

В момент, когда датчик находится в выключенном состоянии, в кольце возбуждается движение вдоль его основных осей за счет приводов первичного движения и первичных снимающих преобразователей, воздействуя в замкнутом контуре на систему контроля ASIC. Круглое кольцо принимает в режиме cos2 эллиптическую форму и вибрирует с частотой 22 кГц. Это показано на рис. 1.5, на котором гироскоп уже включен, но еще не вращается. Так, на четырех вторичных снимающих узлах, расположенных на периметре кольца под углом 45° по отношению к основным осям, нет радиального движения.

Рис. 1.5. Иллюстрация состояния включенного гироскопа в отсутствие движения

Если гироскоп подвергается воздействию угловой скорости, то на кольцо действуют силы Кориолиса: по касательной к периметру кольца относительно главных осей. Эти силы деформируют кольцо, что вызывает радиальное движение вторичных снимающих преобразователей. Данное движение, определяемое на вторичных снимающих преобразователях, пропорционально прилагаемой угловой скорости. При этом двухполосный сжатый передающий сигнал демодулируется с учетом основного движения. В итоге получается низкочастотный компонент, который пропорционален угловой скорости.

На рис. 1.6 представлен внешний вид монтажной платы ASIC-гироскопа.

В таком виде устройство можно встретить в современных блоках и конструкциях.

Рис. 1.6. Внешний вид ASIC-гироскопа

Подобные датчики обладают миниатюрными габаритами (6,5×1,2 мм) при сверхнизком потреблении энергии (12 мВт). Для них характерны широкий диапазон измерения, сверхмалый вес 0,08 г и высокая стабильность работы. Гироскопы подобной конструкции можно с успехом применять для измерения скоростей вращения объекта по трем осям в транспортных и персональных навигаторах для определения и сохранения параметров движения и определения местоположения; в системах отслеживания по трассе на сельскохозяйственной технике для стабилизации антенн; в промышленной аппаратуре, робототехнике и других сферах. Использование датчиков угловой скорости на летательных аппаратах позволяет на порядок уменьшить габариты, вес, энергопотребление приборов и в результате значительно снизить цену навигационной системы в целом. Надежность и точность в управлении широкого спектра самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов при этом увеличиваются. Таким образом, данный вид гироскопов оптимально подходит для использования в ситуации, когда есть ограничения по габаритам, весу и стоимости изделия.

В табл. 1.1 представлены некоторые технические характеристики гироскопов с датчиками МЭМС.

Таблица 1.1. Технические характеристики гироскопа

Высокопроизводительный трехосевой емкостной акселерометр изготовлен по специальной технологии 3D-МЭМС и представлен на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Высокопроизводительный трехосевой емкостной акселерометр

В корпусе датчика находятся высокоточный чувствительный элемент для определения ускорений и сервисная электроника (ASIC) с гибким цифровым выходом SPI.

Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента в датчиках подобной конструкции показано на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Схематичное расположение ASIC и блока сенсорного элемента

На рис. 1.9 представлен внешний вид высокопроизводительного 3-осевого емкостного акселерометра.

Рис. 1.9. Внешний вид платы высокопроизводительного 3-осевого емкостного акселерометра

Корпус акселерометра изготовлен из пластика, а крышка – из металла. В нижней части корпуса по обеим сторонам расположены плоские свинцовые выводы для поверхностного монтажа на печатную плату. На рис. 1.10 представлен внешний вид готового корпуса акселерометра.

Рис. 1.10. Конструкция корпуса акселерометра

Подобная конструкция корпуса гарантирует надежную работу сенсора на протяжении всего жизненного цикла. Для обеспечения стабильного выхода акселерометры подобного класса разрабатываются, производятся и тестируются в широком диапазоне температур, влажности и механического шума. У датчика есть возможность самодиагностики по нескольким сценариям. Он полностью совместим с одно– и двухосевыми акселерометрами данного типа, что дает возможность комбинировать датчики при построении различных сенсорных систем.

1.3. Технологии 3D-МЭМС

Понятие «3D-МЭМС» – это инновационное сочетание технологий для формирования кремния в трехмерные структуры, инкапсуляции и контактирования для относительно легкого монтажа и сборки. В результате это обеспечивает высокую точность сенсора, маленький размер устройства и низкое потребление энергии. Усовершенствованный сенсор может быть изготовлен в виде крошечного кусочка кремния, способного измерять ускорение в трех ортогональных направлениях. Применяя технологию 3D-МЭМС, можно производить оптимизированные структуры для точных датчиков угла наклона, к примеру для обеспечения механического затухания в акселерометрах с целью использования сенсоров в условиях сильной вибрации и высокоточных альтиметрах. Энергопотребление рассматриваемых акселерометров является крайне низким, что дает им значительное преимущество при использовании в устройствах с батарейным питанием. В то же время при производстве инклинометров 3D-МЭМС-технология обеспечивает точность уровней лучше одной угловой минуты и отвечает самым высоким требованиям к качеству измерения.

В качестве преимуществ технологии «3D-МЭМС» можно выделить следующие:

• использование монокристаллического кремния для изготовления МЭМС (идеально упругий материал: нет пластической деформации, выдерживает до 70 000 g циклов ускорений);

• емкостной принцип действия датчиков (обеспечивает прямое измерение отклонения в зависимости от большого числа вариантов величины зазора между двумя плоскими поверхностями; при этом емкость или заряд на паре пластин зависят от ширины зазора между ними и площади пластины);

• высокий уровень точности и стабильности;

• легкая диагностика при помощи ограниченного числа конденсаторов;

• низкая потребляемая мощность;

• высокая герметичность датчиков (позволяет снизить требования к упаковке; обеспечивает высокую надежность, так как частицы или химические вещества не могут попасть в элемент);

• симметричные структуры элементов (улучшенная стабильность нуля акселерометра, линейность и чувствительность по оси; низкая зависимость показаний от температуры; нелинейность обычно ниже 1 %; чувствительность по оси обычно не превышает 3 %);

• возможность производств датчиков по индивидуальному заказу (получение конкретных уровней чувствительности и частотных характеристик, необходимых заказчику; гибкие двухчиповые решения);

• реальные 3D-структуры (большие защитная масса и емкость обеспечивают высокую производительность при работе в диапазоне измерений при малых g; хорошая стабильность по «0» и низкое влияние шума на показания датчика; образование 3D-сенсорных элементов).

В рассматриваемом типе трехосевых акселерометров принцип определения ускорения достаточно прост и надежен: инерционная масса дает возможность ощущать ускорение за счет перемещения в соответствии со вторым законом Ньютона. Основные элементы акселерометра – тело, пружина и инерционная масса (ИМ).

Когда скорость тела сенсора изменяется, ИМ через пружину так же побуждается последовать этим изменениям. Сила, воздействующая на ИМ, является причиной изменения ее движения, поэтому пружина изгибается, и расстояние между телом и ИМ изменяется пропорционально ускорению тела. Рабочие принципы сенсоров различаются в зависимости о того, по какому принципу определяется движение между телом и ИМ.

В емкостном сенсоре тело и ИМ изолированы друг от друга, и их емкость, или емкостной заряд, измеряется. Когда дистанция между ними уменьшается, емкость увеличивается, и электрический ток идет по направлению к сенсору.

В случае, когда расстояние увеличивается, наблюдается обратная ситуация: сенсор преобразует ускорение тела в электрический ток, заряд или напряжение. Превосходные характеристики рассматриваемых датчиков основаны на технологии емкостного измерения и хорошо подходят для определения малых изменений в движении.

Чувствительный элемент для определения ускорения сделан из монокристального кремния и стекла. Это обеспечивает сенсору исключительную надежность, высокую точность и устойчивость показаний по отношению к воздействию времени и температуры. Как правило, чувствительный элемент датчика с диапазоном измерений ±1 g выдерживает как минимум 50 000 g ускорений (1 g = ускорение, вызванное силой тяжести Земли). Датчик измеряет ускорение как в положительном, так и в отрицательном направлении и чувствителен к статическому ускорению и вибрации.

«Сердцем» акселерометра является симметричный чувствительный элемент (ЧЭ), изготовленный по технологиям объемной микромеханики, у которого есть два чувствительных конденсатора. Симметрия ЧЭ уменьшает зависимость от температуры и чувствительности по оси и улучшает линейность. Герметичность датчика обеспечивается за счет анодного соединения пластин друг с другом. Это облегчает корпусирование элементов, повышает надежность и позволяет использовать газовое затухание в сенсорном элементе.

При производстве трехосевого акселерометра применяют новую концепцию гетерогенной интеграции для объединения чувствительного элемента МЭМС и микросхемы (ASIC): ЧИП на МЭМС или CoM (Chip-on-MEMS).

Эта концепция основана на комбинации инкапсулированных на уровне пластины 3D-МЭМС-структур, технологии корпусирования на уровне пластины и технологии чипа на пластине. Все указанные процессы уже существуют на протяжении нескольких лет. Их комбинация позволяет решать наиболее сложную проблему корпусирования: как экономически эффективно совместить МЭМС-элементы и интегральные микросхемы. Исходя из описанной концепции, технология включает в себя следующие шаги: перераспределение и изоляция слоев на МЭМС-пластине, нанесение 300 микронных шариков припоя, установка на МЭМС-пластину микросхем, пассивация зазоров между микросхемами и МЭМС, тестирование пластины с МЭМС-устройствами, резка пластины и финальное тестирование и калибровка сенсоров после резки.

На рис. 1.6 и 1.7 (выше) представлены симметричный чувствительный элемент емкостного акселерометра и вид установки на МЭМС-пластину интегральных микросхем.

Благодаря технологии CoM можно получить полноценное функциональное МЭМС-устройство с размером корпуса по периметру 4×2 мм и высотой 1 мм. Данная технология полностью готова для производства датчиков, как для небольших партий, так и в промышленных масштабах.

В табл. 1.2 представлены технические характеристики емкостного трехосевого акселерометра.

Таблица 1.2. Технические характеристики емкостного трехосевого акселерометра

Благодаря отличным характеристикам по стабильности и вибрационной надежности рассматриваемые акселерометры могут успешно применяться в следующих сферах:

• электронный контроль стабильности движения контролируемого устройства;

• система помощи при старте двигателя на подъеме;

• электронный стояночный тормоз;

• электронная защита от переворачивания;

• регулировка подвески;

• контроль углов наклона;

• встроенные инерциальные системы;

• применение в промышленности для различных устройств.

1.4. Производители МЭМС-акселерометров

Существует много способов производства и применения микроэлектромеханических сенсоров. В качестве производственных площадок можно отметить немецкие предприятия, входящие в состав Ассоциации Silicon Saxony e.V., институт Fraunhofer, корпорации Honeywell International Inc. и Analog Devices Inc. (США), Московский государственный институт электронной техники (МИЭТ), a также компании-производители радиоэлектронных компонентов, расположенные в разных странах мира.

Работа организуется по следующим актуальным направлениям:

• выработка рекомендаций для заказчиков по применению тех или иных сенсоров мировых производителей при производстве российских систем;

• поставка различных датчиков (на базе МЭМС и других принципах) для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей (компас);

• доработка различных сенсорных компонентов известных мировых производителей под требования заказчика (изменение в ту или иную сторону диапазона измерений, функциональных характеристик и т. д.) с дальнейшим производством доработанных датчиков на «родном» заводе-изготовителе;

• организация проведения программы испытаний сенсорной ЭКБ в одном из российских или зарубежных сертификационных центров с выдачей сертификата установленного образца;

• организация разработки и изготовления под индивидуальные требования заказчика сенсорных систем, включающих различные датчики (на базе МЭМС и других принципах), для измерения ускорения, угловых скоростей, давления, скорости потока жидкости или газа, температуры, влажности, определения движения объекта и его скорости, распознавания магнитных полей и др.;

• обучение специалистов российских предприятий по вопросам проектирования, разработки и производства МЭМС-сенсоров. К учебному процессу привлекаются ведущие российские и зарубежные специалисты в этой сфере.

1.5. Перспективные разработки в области МЭМС

Действующий прототип сенсорной системы давно применяется в качестве чувствительного элемента; содержит в себе микроструктуры с воздушным зазором, обладает высокими чувствительностью и соотношением «сигнал/шум», низкой чувствительностью к помехам, хорошей температурной стабильностью.

В совокупности с другими компонентами и датчиками его применяют в автомобильной промышленности (срабатывание подушек безопасности и др.), для диагностики рельсового пути (контроль угла наклона), в системах навигации (измерение рысканья, крена и тангажа летального аппарата), для контроля угла наклона трубопроводов и в других сферах. Проведено через программу испытаний в России с выдачей государственного сертификата установленного образца и представлено в виде готового изделия российского происхождения. Предложение потребителям систем и устройств, состоящих из современных сенсоров (МЭМС-акселерометры, гироскопы и др.), имеющих российское происхождение, этим не ограничивается. Ведутся активные разработки невоенного предназначения системы (индикатора) электронного гидроуровня минимальной стоимости с длительным сроком эксплуатации.

Низкая цена позволит в широком спектре условий и задач устанавливать такие уровни в конструкциях фундаментов зданий и отслеживать на компьютере осадки здания (мониторинг). В процессе контроллинга производится регулировка неравномерных осадок здания. Регулировка осуществляется «электронным демпфером осадок», который в упрощенном описательном виде выглядит как «обжатый поршень + цилиндр + песок, в цилиндре + сверло малого диаметра (1–2 мм) в поршне».

По данным, полученным в цифровом виде от электронного гидроуровня, срабатывает электронный ключ в устройстве электронного демпфера осадок, проворачивается сверло, которое выбирает песок так, чтобы верхняя грань всех демпферов оставалась на одном уровне. Такой демпфер при условии бюджетной цены «электронного гидроуровня» и таком же по себестоимости сверле с храповиком представляет собой доступный широкому кругу организаций и граждан, а значит, конкурентный «электронный демпфер осадок». А это устройство также имеет несколько уже сегодня рассматриваемых перспектив, к примеру оно может быть практически приложено для необычных конструкций фундаментов.

Если говорить о прототипах электронного демпфера осадок, то уместно привести – для показательного сравнения – электронное устройство, разработанное автором несколько лет назад для контроля оседания фундамента деревенского дома. Себестоимость элементов этого устройства не превышала 1000 рублей по состоянию на конец 2007 года (когда оно впервые было введено в тестовую эксплуатацию автором). Но нам сейчас важно понимать не это, а общий принцип работы, на котором возможно было создать простую модель электронного акселерометра, посредством нетипичного использования манипулятора «мышь» для ПК, снабженного узлом звуковой и световой индикаций. А понимая доступность вариантов решения одной и той же проблемы, с учетом изложенного текста в первой главе, мы можем увидеть, насколько в промышленных условиях производства легко осуществить (решить) ту же, по сути, задачу с помощью промышленного производства электронных акселерометров, с намного большими возможностями и функционалом, чем «смешная радиолюбительская разработка», вызванная к жизни в свое время теоретическими выкладками и фантазией автора, впрочем, воплощенной в реальное устройство.

Итак, для сравнения и пояснения возможностей инновационных разработок в области электронных акселерометров на базе МЭМС-сенсоров считаю нужным привести в заключении первой главы книги простое устройство для контроля осадки дома.

Для контроля мельчайших смещений одного предмета относительно другого я применяю обычную компьютерную мышку, выслужившую все сроки, но вполне работоспособную. Применение ей нашлось в деревенском доме для контроля оседания фундамента и стен относительно друг друга. Полагаю, таким же методом могут воспользоваться и другие читатели, у которых дома не совсем новые или почвы размывают фундамент. Применение в данном случае компьютерной мыши избавляет радиолюбителя от необходимости строить относительно сложную схему. Компьютерная мышка (далее – мышь) идеально подходит для такой задачи. Разберем ее и узнаем – почему.

Вскрыв корпус «мышки», получаем доступ к печатной плате и механизму позиционирования координат (см. рис. 1.11).

Рис. 1.11. Механическая компьютерная мышка со снятым корпусом: вид на печатную плату и механизм позиционирования координат

Шарик, подпружиненный с двух сторон, соприкасается с пластмассовыми приводами, на конце которых сделаны шестерни. Шестерни вращаются между приемником и передатчиком ИК-сигналов. Таких устройства два – для позиционирования мышки по горизонтали и вертикали. Когда мышью управляют диагонально, задействованы оба координатора положений.

Импульсы с двух ИК-приемников (трехвыводные корпуса ИК-транзисторов) поступают на микросхему (находится с обратной стороны печатной платы), залитую компаундом. Ее тип обозначен SS-1HBA-1. С выхода данной микросхемы через сглаживающие пульсации дроссели управляющий сигнал поступает на разъем c обозначением J1 и далее на ПК – по проводам.

Распайка разъема J1 такова:

• 1-й и 4-й контакты (черный и желтый проводники соединительного кабеля с ПК) – общий провод;

• 5-й – «+5 В» (красный);

• 2-й и 3-й (зеленый и белый соответственно) – высокочастотная последовательность импульсов с амплитудой 4,5 В.

По последним двум проводникам на ПК передается информация о смене позиции мышки. Однако эти сигналы без специального декодирующего устройства использовать трудно.

Поэтому есть более простой способ получить от мышки (при ее перемещении) простые управляющие сигналы.

Так, ИК-транзистор Q1 (напротив его установлен ИК-светодиод IR1) «отвечает» за поперечное перемещение мышки (влево, вправо), а Q2 и соответственно IR2 – за продольное (прямо, вперед, назад). Опытным путем удалось установить, что при отсутствии препятствия между ИК-передатчиком и приемником на выводах Q1 и Q2 (кроме среднего вывода – там постоянно + 5 В) присутствует высокий уровень напряжения, и он меняется на низкий, как только ИК-приемник перестает принимать сигнал передатчика.

То есть тогда, когда мышь сдвигается, шарик воздействует на зубчатую шестерню, зубья которой находятся между передатчиком и приемником ИК-сигнала. Тот же управляющий сигнал (с высокого на низкий уровень) можно «взять» с контактов перемычек, обозначенных на печатной плате JPD2 и JPD3 (выделены на рис. 1.11). Зная, куда на плате компьютерной мыши подключать исполнительное устройство (к примеру, сигнализатор о смещении предмета), остается только позаботиться об электронном адаптере, который преобразует изменение логического уровня в звуковой сигнал.

На рис. 1.12 представлена мышь, закрепленная между венцами деревенского дома и пристроенной к нему конюшни. При оседании дома, миллиметровом изменении расстояния между бревнами, «мышка» незамедлительно выдает сигнал, а устройство сигнализатора «поднимает тревогу».

Рис. 1.12. Метод установки компьютерной мыши в качестве датчика оседания дома

Аналогичным образом можно контролировать осадку фундамента, крен дверей, дверных коробок и любых конструкций (не только деревянных), где наклон, перемещение или смещение частей не желательно или опасно. В качестве звукового сигнализатора можно применить схему, представленную на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Вариант схемы звукового сигнализатора для подключения к датчику смещения предмета в виде компьютерной мыши

В качестве НА1 применен звуковой капсюль со встроенным генератором звуковой частоты, подключать его надо строго в соответствии с полярностью. Транзистор VT1 р-n-р-проводимости открывается тогда, когда напряжение в точке А близко к нулю, то есть в момент смещения мышки.

Внимание, важно!

Не пытайтесь подать на «электронную начинку» мыши напряжение более 6 В, она выйдет из строя.

Механические мыши сегодня практически никто не использует (все перешли на оптические), поэтому ее «вторая жизнь» представляется мне весьма интересной и полезной в составе рассмотренного устройства сигнализатора о смещении несущих конструкций деревенского дома. Разумеется, эту разработку можно применить и в других случаях – тогда, когда требуется высокоточный датчик смещения предмета. Компьютерная мышь вполне соответствует этим требования хотя бы потому, что любое перемещение ее даже на полмиллиметра сгенерирует изменение уровня с высокого на низкий. Разобрав корпус механической мышки, рекомендую продуть сжатым воздухом места крепления пластмассовых шестерней и позиционного шарика, а также капнуть по капле бытового масла на крепление шестерней, чтобы уменьшить трение от вращения их осей.

Оптические мыши лишены подвижных механических частей, они долговечны, а принцип работы, основанный на отражении сигнала от поверхности стола, позволяет создать на основе оптической мыши оригинальные бесконтактные устройства.