МЭМС-гироскоп широко используется в различных областях из-за его преимуществ: низкого энергопотребления, легкого веса и низкой стоимости. Высокоточный MEMS-гироскоп может повысить точность измерения ориентации и контроля многих типов оборудования и платформ, а также, как ожидается, решит проблему автономной навигации беспилотных транспортных средств, дронов и другого оборудования в сложных средах и имеет широкие перспективы развития, поэтому он всегда является одним из горячих направлений исследований в области инерции. В данной статье описана эволюция резонансной структуры высокоточного МЭМС-гироскопа. Представлены массоблочный МЭМС-гироскоп и ротаторно-симметричный МЭМС-гироскоп.
Массовый блок МЭМС-гироскопа
1. Одномассовый МЭМС-гироскоп.
Основываясь на базовой модели динамики массы и пружины МЭМС-гироскопа, ее можно грубо разделить на структуру централизованного блока массы и структуру распределенной массы. Одномассовая структура поддерживается упругой структурой, которая является наиболее интуитивно понятным проявлением базовой динамической модели. Обычно он проектируется как развязанная конструкция, такая как типичная микровибрационная структура с универсальным шарниром, где массовый блок поддерживается двумя вложенными друг в друга внешними рамами, которые можно скручивать. Как показано на рисунке 1, при работе гироскопа блок центральной массы совершает крутильные колебания в фиксированном направлении с определенной амплитудой и частотой; При наличии входной угловой скорости сила Кориолиса также будет вибрировать в другом направлении, а амплитуда вибрации пропорциональна входной угловой скорости.
Чувствительность гироскопа можно улучшить, регулируя параметры конструкции для увеличения виброперемещения.
Рисунок 1. Типичная структура MEMS-гироскопа.
2. Двухмассовый МЭМС-гироскоп.
На основе структуры одномассового блока резонансная структура проектируется как массовый блок с двумя симметричными модами, затем формируется двухмассовый МЭМС-гироскоп (также известный как камертон-гироскоп). Типичная конструкция показана на рисунке 2. Эта конструкция может решить проблему отклонения центра масс, вызванную вибрацией конструкции, эффективно уменьшить потери на опору и сделать гироскоп MEMS потенциалом средней и высокой точности. Последний отчет Honeywell о нестабильности нулевого смещения микроэлектромеханического гироскопа камертонного типа (ниже приведена дисперсия Аллана) составляет 0,02 °/ч, диапазон превышает 990 °/с, а нелинейный коэффициент масштабирования составляет 13 частей на миллион. Нестабильность смещения гироскопа с гребенчатой электродной структурой, разработанного компанией Tronics во Франции, составляет 0,8°/ч, диапазон измерения составляет ±300°/с, нелинейность масштабного коэффициента составляет 230 ppm.
Рис. 2. Типичная конструкция высокоточного двухмассового МЭМС-гироскопа.
3. Четырехмассовый МЭМС-гироскоп.
Чтобы еще больше повысить симметрию распределения блоков массы, четырехмассовый МЭМС-гироскоп был доработан на основе двухмассового МЭМС-гироскопа, который обычно состоит из четырех симметрично распределенных массовых блоков, соединенных балочной структурой, и его инерционной конструкции. масса и добротность дополнительно улучшены, поэтому он имеет лучшую чувствительность и уровень механического теплового шума.
Благодаря симметрии конструкции четырехмассовый МЭМС-гироскоп может работать в режиме согласования частот для повышения чувствительности обнаружения. Асадиан и др. из Калифорнийского университета в Ирвайне разработали четырехмассовый МЭМС-гироскоп, основанный на обратном относительно симметричном режиме работы. Во время работы точка опоры находится в балансе сил, поэтому потери опоры очень малы. При этом термоупругое демпфирование конструкции можно уменьшить за счет уменьшения резонансной частоты и толщины стенки, а добротность приблизиться к 2×106. В режиме интегрирования скорости нестабильность нулевого смещения гироскопа составляет 0,2°/ч, угол случайного перемещения составляет 0,02°/ч1/2, а диапазон может превышать 1000°/с. В режиме силовой обратной связи угловое случайное блуждание составляет 0,015°/h1/2, а неустойчивость при нулевом смещении — 0,09°/ч. Университет Цинхуа разработал четырехмассовый МЭМС-гироскоп, поддерживаемый поперечной балкой (рис. 3). Соседние блоки массы соединены между собой изогнутой гибкой балкой. Рабочие режимы обнаружения симметричны, значение Q равно 16000. Неустойчивость при нулевом смещении составляет 0,12°/ч, а угловое случайное блуждание составляет 0,012°/h1/2.
Рис. 3. Типичная структура и режимы работы четырехмассового МЭМС-гироскопа.
Четырехмассовый МЭМС-гироскоп может работать и в режиме обнаружения асимметричного привода, что также показывает лучшие характеристики. Компания Sensonor разработала микроэлектромеханический гироскоп с феновингом на основе четырехмассовой резонансной структуры Института ИМЭГО, как показано на рисунке 4 (а). Ее новейшие продукты серии STIM300 имеют диапазон измерения ±400°/с, нестабильность нулевого смещения 0,5°/ч при комнатной температуре, хорошую температурную чувствительность нулевого смещения (0,08°/ч/°C) и нелинейный масштабный коэффициент (15 ppm). ). Национальный университет оборонных технологий оптимизировал чувствительную структуру кремниевого микрогироскопа с паучьим крылом, как показано на рисунке 4(b). Погрешность обработки эффективно снижается за счет полного процесса предварительного заглубления и достигается точная обработка кремниевой наклонной балки. В то же время термическая деформация и напряжение упаковки при гироскопической обработке эффективно уменьшаются за счет снятия напряжения и создания равновесной структуры. Нестабильность нулевого смещения составляет 0,19°/ч, диапазон шкалы составляет ±200°/с, а нелинейность масштабного коэффициента составляет 89,6 ppm.
Фигура. 4. Устройство вращающегося микроэлектромеханического гироскопа.
Поворотный симметричный МЭМС-гироскоп
1. Двумерные кольцевые МЭМС-гироскопы.
МЭМС-гироскоп с вращательно-симметричной структурой формируется путем дискретного распределения блоков массы по окружности. Он геометрически симметричен по оси вращения, обычно работает в режимах согласования и имеет высокое значение добротности, что обеспечивает более высокий потенциал точности. С 1990-х годов Мичиганский университет начал изучать теоретическое моделирование, материалы и процессы относительно простого однокольцевого микроэлектромеханического гироскопа, заложив основу для разработки кольцевого МЭМС-гироскопа. В настоящее время электромагнитный кольцевой гироскоп компании Silicon Sensing широко используется в кольцевых МЭМС-гироскопах. Продукты серии CRH02 имеют нестабильность нулевого смещения 0,12°/ч и диапазон измерения ±400°/с. Вибрация кремниевого кольца, поддерживаемая Z-образным лучом, стимулируется электромагнитным возбуждением, которое обладает хорошей устойчивостью к ударным вибрациям. В новейших продуктах серии CRH03 нестабильность смещения составляет 0,03°/ч, но диапазон относительно невелик. Однако эффективная вибрационная масса одного резонансного кольца мала, и все еще существует проблема большого механического теплового шума. Чтобы улучшить потенциальные возможности кольцевой МЭМС, компания Boeing и JPL совместно предложили схему гироскопа МЭМС в форме диска, состоящую из нескольких вложенных друг в друга колец, как показано на фиг. 5, диаметром около 8 мм. Концентрические кольца соединены радиальными балками, а различные кольца могут управляться, обнаруживаться или регулироваться жесткость с помощью внутренних электродов. Этот тип дисковой структуры имеет большую эквивалентную массу и площадь обнаружения привода, чувствительность обнаружения и соотношение сигнал/шум гироскопа эффективно улучшаются, а механический тепловой шум может быть снижен до очень низкого уровня за счет оптимизации конструкции. . Дисковый МЭМС-гироскоп, разработанный Adno Semiconductor (AD) и Стэнфордским университетом, имеет нестабильность нулевого смещения 0,2°/ч после согласования частоты, но имеет большое рассогласование демпфирования. В последние годы исследования дисковых МЭМС-гироскопов во многих научно-исследовательских институтах США достигли быстрого прогресса. Нестабильность нулевого смещения прототипа при контроле температуры может достигать 0,01°/ч, что подтверждает потенциал точности навигационного уровня и отвечает требованиям приложений для определения севера.
Рисунок 5. Типовая конструкция и режимы работы высокоточного кольцевого МЭМС-гироскопа.
2. Трехмерный микрополусферический резонатор-гироскоп.
Гироскоп микрополусферы является развитием традиционного гироскопа полусферического резонатора и также может рассматриваться как расширение гироскопа MEMS от двумерной структуры к трехмерной структуре. Он унаследовал превосходные характеристики полусферического резонаторного гироскопа с высокой добротностью, поэтому обладает чрезвычайно высоким потенциалом точности и в настоящее время является одним из самых популярных направлений исследований высокоточного МЭМС-гироскопа. В последние годы при поддержке Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), Калифорнийского университета, Мичиганского университета и Технологического института Джорджии, лаборатории Дрейпера и других исследовательских институтов были проведены исследования микро -полушарный гироскоп, основные структурные формы включают полусферическую структуру, структуру бассейна, структуру бокала и так далее.
В настоящее время высокоточные микрополусферические резонансные структуры изготавливаются в основном методом выдувания стекла, который впервые был предложен Мичиганским университетом. Процесс формования показан на рисунке 6. Деформация неньютоновской жидкостью создается в листе плавленого кварцевого стекла при высокой температуре, а затем разница давления между верхней и нижней поверхностями листовой конструкции создается с помощью вакуумного всасывающего устройства, и формируется изогнутая оболочка диаметром 5-10 мм. Эта технология обработки не только обладает высокой эффективностью, но также позволяет избежать подповерхностных повреждений, вызванных традиционным механическим шлифованием и полировкой, шероховатость поверхности превышает 1 нм, а добротность резонансной структуры без покрытия может достигать более 9 × 106. Сообщается, что в 2020 году гироскопическая нестабильность нулевого смещения достигла 0,0014 ° / ч, что демонстрирует большой потенциал точности.
Рис. 6. Типичный процесс формирования микрополусферической резонансной структуры.
Заключение
В данной статье основное внимание уделяется эволюции структуры высокоточного МЭМС-гироскопа. Сообщается, что с точки зрения эволюции резонансной структуры высокоточного МЭМС-гироскопа, двухмассовый, четырехмассовый, кольцевой МЭМС-гироскоп и гироскоп с микрополусферическим резонатором имеют лучшие характеристики, некоторые продукты превосходят индекс точности тактического уровня. , а некоторые из них были близки к порогу точности уровня навигации. Благодаря применению оптимизации топологии, новым материалам и новым процессам структурные инновации MEMS-гироскопа по-прежнему заслуживают ожидания. В то же время можно обратить внимание на тактический МЭМС-гироскоп ER-MG-067 , в котором используется одномассовая блочная структура, его стабильность нулевого смещения может достигать 3°/час, а случайное блуждание угловой скорости составляет 0,125°/√. час. В высокоточных областях, таких как дроны, необходим МЭМС-гироскоп навигационного класса, такой как ER-MG2-50/100 , нестабильность нулевого смещения которого может достигать 0,01-0,02°/час, а случайное блуждание угловой скорости может достигать 0,0025-0,005. °/√ч.
Если вы заинтересованы в знаниях о MEMS-гироскопах , пожалуйста, свяжитесь с нами.
https://www.ericcointernational.com/application/evolution-of-resonant-structure-of-high-precision-mems-gyroscope.html
