Микромеханические системы и элементы

Внимание, важно!

Для подвеса характерно практически полное отсутствие трения (при вакууме в подвесе 10^-8 мм рт. ст. постоянная времени выбега ротора за счет остатков газа имеет величину порядка 100 лет). Ничтожно малые величины возмущающих моментов сил, действующих на левитирующий в вакууме ротор, обеспечивают неограниченно долгое и надежное сохранение направления оси вращения гироскопа в пространстве.

Гироскопы с магниторезонансным подвесом ротора (МСГ) являются в определенной степени аналогами гироскопов с электростатическим подвесом ротора, в которых электрическое поле заменено магнитным, а бериллиевый ротор – ферритовым.

Перспективы развития

Кроме перечисленных выше типов гироскопов, проводятся работы над ионными, ядерными и другими типами гироскопов. Отрадно заметить, что исследовательские разработки в этой области по состоянию на 2017 год осуществляют всего 5 стран в мире, и Россия в их числе. Созданы весьма точные гироскопические системы, повысился интерес к применению гироскопической техники в невоенной сфере. Прогресс в области высокоточной спутниковой навигации GPS сделал ненужными автономные средства навигации в тех случаях, когда сигнал со спутника может приниматься непрерывно. Система навигационных спутников третьего поколения позволяет определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров. При этом отпадает необходимость в использовании даже курсовых гироскопов, ибо сравнение показаний двух приемников спутниковых сигналов, установленных на расстоянии в несколько метров, к примеру, на крыльях самолета, позволяет получить информацию о повороте самолета вокруг вертикальной оси. С начала XXI века внимание инженеров-разработчиков в области гироскопии сосредоточено на поиске нетрадиционных областей применения устройств. Разведка полезных ископаемых, и предсказание землетрясений, и сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многое другое.

1.2. МЭМС-гироскопы

В этом разделе рассмотрены МЭМС-датчики для измерения ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы). Данные устройства активно используются в системах управления летательными аппаратами, для обеспечения безопасности движения автомобилей, в сельскохозяйственной технике, изделиях специального назначения и др. Существует много различных решений по исполнению МЭМС-устройств. В их числе – одноосевой МЭМС-гироскоп с вибрирующим кольцом и трехосевой емкостной МЭМС-акселерометр.

1.2.1. Одноосевой МЭМС-датчик угловой скорости (гироскоп) с вибрирующим кремниевым кольцом

Кремниевый цифровой гироскоп разработан с учетом требований к низкой стоимости изделия и экономичному энергопотреблению для систем навигации и наведения нового поколения. Он имеет два режима вывода: аналоговый сигнал напряжения, линейно-пропорциональный угловой скорости, и цифровой по протоколу SPI. Режимы вывода – аналоговый или цифровой – выбираются пользователем при подключении датчика к системной плате. Отличительной особенностью гироскопа является применение технологии сбалансированного вибрирующего кольца в качестве датчика угловой скорости. Именно она обеспечивает надежную работу и точное измерение скорости вращения даже в условиях сильной вибрации. Возможны две основные конфигурации гироскопа, одна из них позволяет датчику измерять угловую скорость по оси, перпендикулярной к плоскости системной платы, другая дает возможность определять угловую скорость по оси, параллельной плоскости материнской платы. Сочетание в одном устройстве гироскопов обеих конфигураций дает возможность получить инерциальную систему, измеряющую угловую скорость по нескольким осям (любые сочетания тангажа, крена и рысканья летательного аппарата). Такие гироскопы выпускаются в герметичных керамических LCC-корпусах, которые можно устанавливать на системные платы.

Датчик состоит из пяти основных компонентов: кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор (MEMS-ring), основание из кремния (Pedestal), интегральная микросхема гироскопа (ASIC), корпус (PackageBase), крышка (Lid). На рис. 1.1 представлен вид основных детелей кремниевого МЭМС-сенсора.

Рис. 1.1. Кремниевый кольцевой МЭМС-сенсор. Основные детали