Определение микромашин
Микромашины MEMS - это сокращение от Micro Electro Mechanical systems в английском языке, а именно Micro-electromechanical systems. Технология микроэлектромеханических систем (МЭМС) - это передовая технология XXI века, основанная на микро/нанотехнологиях. Она относится к технологии проектирования, обработки, производства, измерения и управления микро/наноматериалами. Она позволяет объединить механические компоненты, оптические системы, компоненты привода и электронные системы управления в единую микросистему. Такая микроэлектромеханическая система может не только собирать, обрабатывать и передавать информацию или инструкции, но и действовать самостоятельно или по внешним инструкциям в соответствии с полученной информацией. Для производства различных видов датчиков, исполнительных механизмов, драйверов и микросистем с отличными характеристиками, низкой ценой и миниатюрностью используется технология комбинирования микроэлектронных технологий и технологий микрообработки (включая микрообработку кремниевого корпуса, микрообработку поверхности кремния, LIGA и технологию склеивания пластин). Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - это новая междисциплинарная технология, разработанная в последние годы, которая в будущем окажет революционное влияние на жизнь человека. В ней задействованы техника, электроника, химия, физика, оптика, биология, материалы и другие дисциплины.
Принцип работы МЭМС-гироскопа
Традиционные гироскопы в основном используют принцип сохранения углового момента, поэтому в основном являются вращающимися объектами, и направление оси их вращения не меняется при вращении несущей опоры. Но принцип работы микромеханического гироскопа не такой, поскольку использовать микромеханическую технологию для обработки вращающейся структуры на кремниевой подложке непросто. В микромеханическом гироскопе используется сила Кориолиса - тангенциальная сила, действующая на вращающийся объект при радиальном движении. Ниже приводится метод получения силы Кориолиса. Для читателей, обладающих знаниями в области механики, она не должна представлять сложности.
Задайте в пространстве динамическую систему координат (рис. 1). Используя следующее уравнение для расчета ускорения, можно получить три слагаемых: радиальное ускорение, ускорение Кориолиса и тангенциальное ускорение.
Рис. 1
Если радиальное движение объекта на диске отсутствует, то сила Кориолиса не будет возникать. Поэтому в конструкции МЭМС-гироскопов этот объект приводится в движение радиальным перемещением или колебаниями вперед-назад, а соответствующая сила Кориолиса постоянно изменяется вперед-назад в горизонтальном направлении, что может вызывать небольшие колебания объекта в горизонтальном направлении, причем фаза колебаний отличается от фазы движущей силы ровно на 90 градусов. (рис. 2) МЭМС-гироскопы обычно имеют съемные пластины конденсатора в двух направлениях. Радиальная конденсаторная пластина плюс колебательное напряжение заставляют объект двигаться в радиальном направлении (что напоминает режим самотестирования в акселерометре), а боковая конденсаторная пластина измеряет изменение емкости, вызванное боковым кориолисовым движением (как акселерометр, измеряющий ускорение). Поскольку сила Кориолиса пропорциональна угловой скорости, угловая скорость может быть рассчитана по изменению емкости.
Рис. 2
Структура
Конструкция и принципы работы микромеханических гироскопов могут быть различными, но все открытые микромеханические гироскопы используют концепцию измерения угловой скорости вибрирующих объектов. Микромеханический гироскоп, созданный на основе использования вибрации для возбуждения и обнаружения силы Кориолиса, не имеет вращающихся частей и подшипников, что подтверждает возможность его массового производства с использованием технологии микрообработки.
Большинство микромеханических гироскопов работают на основе переменных сил Кориолиса, возникающих при ортогональной вибрации и вращении. Вибрирующий объект подвешивается на основании с помощью мягкой упругой структуры. Вся динамическая система представляет собой двумерную упругодемпфирующую систему, в которой сила Кориолиса, вызванная вибрацией и вращением, передает энергию, пропорциональную угловой скорости, в чувствительный режим.
Благодаря усовершенствованию конструкции и отладке электростатики удается согласовать резонансную частоту привода и датчика, что позволяет добиться максимально возможной передачи энергии и достичь максимальной чувствительности. Большинство микромеханических гироскопов полностью или почти полностью согласованы в режимах привода и датчика. Они чрезвычайно чувствительны к изменению параметров колебаний системы, причем эти параметры системы будут изменять собственную частоту колебаний. Поэтому для внесения корректив необходима хорошая архитектура управления. Если требуется высокий коэффициент качества (Q), то полоса пропускания привода и индукции должна быть очень узкой. Увеличение полосы пропускания на 1% может привести к снижению выходного сигнала на 20%.
Параметр производительности
К важным параметрам МЭМС-гироскопа относятся разрешение, выходная нулевая угловая скорость, чувствительность и диапазон измерений. Эти параметры являются важными показателями, позволяющими судить о производительности МЭМС-гироскопа, а также определяют среду его применения.
Под разрешением понимается минимальная угловая скорость, которую может определить гироскоп. Этот параметр и выходная нулевая угловая скорость фактически определяются белым шумом гироскопа. Эти три параметра в основном показывают внутреннюю производительность и помехозащищенность гироскопа. Для пользователей более практичной является чувствительность. Под диапазоном измерения понимается максимальная угловая скорость, которую может измерить гироскоп. Различные области применения предъявляют разные требования к различным показателям гироскопа.
Одно-двухкоординатные датчики
Новая группа одноосевых и двухосевых МЭМС-датчиков угловой скорости (гироскопов). Эта серия в основном используется в игровых консолях, устройствах ввода, навигаторах, PND (Portable Navigation Device) и цифровых камерах.
Одноосевые изделия могут определять направление рысканья. Двухосевые датчики могут определять направление продольного и поперечного наклона, а также направление продольного наклона и рысканья. Определяемая угловая скорость варьируется от разновидности к разновидности и составляет максимум 30-6000 градусов в секунду. На выходе получается аналоговый сигнал. Каждое изделие оснащено двумя портами для вывода (без усиления) и усиления сигнала каждой оси до 4 раз. Снижена температурная погрешность и погрешность, изменяющаяся со временем. Сдвиг нулевой температуры составляет 0,05 град/сек/℃. По уровню шума разновидности с детектируемой угловой скоростью 30 градусов в секунду контролируются на частоте 0,014 градуса в секунду/√ Гц.
Диапазон напряжения питания составляет +2,7~3,6 В. 5 мм для упаковки × 5 мм × 1,5 мм 16-контактного LGA. Диапазон рабочих температур составляет - 40~+85 ℃.
Рассмотрим несколько популярных одноосевых и двухосевых МЭМС-гироскопов компании Join Sunny.
Одноосевые МЭМС-гироскопы
Двухосевые МЭМС-гироскопы
Обзор разработок
Согласно отечественной литературе последних лет, гироскопы в прикладных исследованиях инерциальной навигации в Китае можно условно разделить на три категории по их структуре: механические гироскопы, оптические гироскопы и микромеханические гироскопы. Механический гироскоп - это датчик угла, который измеряет правильную ориентацию носителя, используя стабильность вращающегося вала высокоскоростного ротора. С тех пор как в 1910 году он был впервые применен в судовом гирокомпасе для определения направления на север, было исследовано множество видов механических гироскопов. Гироскоп с плавающей жидкостью, гироскоп с динамической настройкой и электростатический гироскоп - это три вида гироскопов с жестким ротором, обладающих развитой технологией. Их точность находится в диапазоне от 10E-6 градусов/час до 10E-4 градусов/час, достигая высокого технического уровня в области точных приборов. В 1965 г. китайский университет Цинхуа впервые приступил к разработке электростатического гироскопа, имеющего прикладное значение "высокоточная морская ИНС". В 1967-1990 гг. университет Цинхуа, Чанчжоуский завод навигационных приборов, Шанхайский университет Цзяотун и др. совместно разработали и успешно создали инженерный прототип электростатического гироскопа. Погрешность смещения составляет менее 0,5 °/ч, а погрешность случайного смещения - менее 0,001 °/ч. Китай, США и Россия стали странами, освоившими технологию электростатических гироскопов в мире.С развитием оптоэлектронных технологий появились лазерные гироскопы и волоконно-оптические гироскопы. По сравнению с лазерным гироскопом волоконно-оптический гироскоп имеет более низкую стоимость и более пригоден для массового производства. Исследования в области FOG в Китае начались поздно, но уже успели принести немало положительных результатов. Исследованиями волоконно-оптического гироскопа последовательно занимались Aerospace Science and Technology Group, Aerospace Science and Technology Group, Zhejiang University, Northern Jiaotong University, Beihang University и другие институты. По имеющейся информации, точность разработки отечественных ВОГ достигла требований низкой и средней точности инерциальной навигационной системы, а некоторые технологии даже достигли уровня аналогичных зарубежных изделий. Начиная с XX века, с развитием электронной техники и технологии микрообработки, МЭМС-гироскоп стал реальностью. С 1990-х годов МЭМС-гироскоп стал широко применяться в гражданской продукции, некоторые из них используются в высокоточных инерциальных навигационных приборах. Исследования МЭМС-гироскопа в Китае начались в 1989 году, и за это время были разработаны сотни электростатических двигателей микронного размера и пьезоэлектрических двигателей диаметром 3 мм. Очень развита технология гироскопов в учебно-исследовательской группе навигации и управления Университета Цинхуа, которая освоила технологии микромеханических и оптических волноводов. В настоящее время изготовлен прототип миниатюрного гироскопа и получены некоторые данные. Научно-исследовательский центр кафедры точных приборов и машин Юго-Восточного университета также продолжает разработку и исследование ключевых компонентов, микромеханических гироскопов, новых инерциальных приборов и интегрированных навигационных систем GPS, удовлетворяя потребности рынка двойного назначения. Одним словом, с развитием науки и техники, по сравнению с высокой стоимостью электростатического гироскопа, точность волоконно-оптического гироскопа и микромеханического гироскопа с более низкой стоимостью становится все выше и выше, что является общей тенденцией развития гироскопической техники в будущем.
Применение
Микромеханический гироскоп используется для измерения скорости вращения транспортного средства (поворота или качения) и вместе с низко расположенным акселерометром образует активную систему управления. Так называемая активная система управления призвана вовремя скорректировать нештатное состояние автомобиля или правильно справиться с нештатным состоянием, чтобы предотвратить возникновение аварии до ее начала. Например, при повороте система измеряет угловую скорость с помощью гироскопа, чтобы понять, слишком ли сильно или недостаточно повернуто рулевое колесо. Чтобы предотвратить выезд автомобиля за пределы полосы движения, система активно применяет соответствующие тормоза на внутренних или внешних колесах. Эта система устанавливается в основном на автомобилях высокого класса.
На рынке автомобильных МЭМС-систем большую долю по-прежнему занимают датчики давления и акселерометры. Однако с ростом спроса на показатели безопасности автомобилей, особенно на скорость установки системы контроля курсовой устойчивости в Северной Америке и Европе, темпы роста рынка гироскопов значительно опережают темпы роста первых двух категорий, и ожидается, что в 2011 году их доля достигнет 10%.
Если вам нужны дополнительные технические данные и предложения, пожалуйста, обращайтесь к нам.
Post Views: 0
Поделиться статьей