Эксплуатационные характеристики МЭМС-компонентов БИНС ООО «Лаборатория Микроприборов»

Микроэлектромеханические системы в последнее время являются объектом приложения усилий многих компаний. В частности, МЭМС-датчики угловой скорости и ускорения широко используются в мобильных устройствах, системах инерциальной навигации. В данной статье рассказано об особенностях и преимуществах изделий производства компании «Лаборатория Микроприборов».

Компания «Лаборатория Микроприборов» имеет среди российских потребителей репутацию надёжного производителя систем ориентации и навигации на основе МЭМС-датчиков. В инициативном порядке ООО «ЛМП» разрабатывает и производит на территории РФ ключевые узлы – чувствительные элементы датчиков ускорения, удара, угловой скорости и комплектует их в корпусе с электроникой сбора и обработки информации. Эти специализированные приборы объединяют в единый узел чувствительные элементы, электронные контуры обработки измерений и управления колебаниями, обеспечивают регистрацию и комплексную обработку инерциальной и внешней информации. Такой подход, во-первых, позволяет существенно улучшить основные параметры датчиков за счет внесения в показания индивидуальной коррекции, а во-вторых – облегчает разработчикам анализ полученных статистических данных и введение поправочных коэффициентов. В итоге повышается производительность, точность и стабильность системы в целом. Кроме локализованного кристального производства следующим ключевым элементом импортозамещения является собственная технология калибровки. ООО «ЛМП» владеет ею в полной мере. Перечень выполняемых компанией работ включает в себя:

• калибровку температурных зависимостей параметров датчиков,
• линеаризацию передаточных характеристик,
• компенсацию неидеального расположения чувствительных элементов внутри базиса измерительного блока.

Испытания собственной и сторонней продукции, проводимые компанией, служат для контроля достигаемых параметров, сравнения уровня техники с ведущими мировыми производителями, текущего контроля произведенной продукции и обоснования, при необходимости, коррекции конструкции и технологии ЧЭ, программного обеспечения, конструкции БИНС в целом. Виды проводимых испытаний:

• определение параметров передаточной характеристики акселерометров (в поле силы тяжести Земли или с использованием центрифуги),
• определение параметров передаточной характеристики гироскопов (в том числе по трём осям),
• определение АЧХ и ФЧХ датчиков (акселерометров и гироскопов),
• определение температурных зависимостей параметров датчиков и систем,
• определение вибро- и ударопрочности датчиков и систем.

Рассмотрим подробнее характеристики новых моделей датчиков.

МЭМС-акселерометры

МЭМС-акселерометры имеют малые габаритные размеры и массу, низкое энергопотребление, при серийном производстве отличаются невысокой стоимостью. Применяют МЭМС-акселерометры как в изделиях массового спроса, таких как системы безопасности автомобилей, потребительская электроника (сотовые телефоны, ноутбуки и пр.), робототехника, так и в приборах специального назначения: военной и аэрокосмической технике, медицинском оборудовании, промышленных системах управления. Чувствительный элемент микромеханического акселерометра представляет собой конструкцию маятникового типа. Инерционная масса, подвешенная к основанию при помощи упругих элементов – торсионов, воспринимает действующее ускорение и является одной из обкладок ёмкостной системы съёма сигнала. В качестве неподвижной обкладки используется стеклянная пластина с напылёнными электродами (рис. 1а, б). Рис. 1. Кремниевый чувствительный элемент МЭМС-акселерометра: а) конструкция, б) эквивалентная схема Проведённые расчёты и разработанный технологический маршрут на основе анизотропного травления кремния позволили изготовить МЭМС-акселерометры типов МА-10 и МА-20, рис. 2 и рис. 3. Рис. 2. МЭМС-акселерометр типа МА-10 Рис. 3. МЭМС-акселерометр типа МА-20 Каждый из МЭМС-акселерометров МА-10 и МА-20 содержит ЧЭ и плату преобразования сформированных ёмкостей в выходной сигнал датчика. Геометрия ЧЭ во время проектирования проходит этап моделирования, на котором определяют резонансные частоты и влияние механических ударов одиночного действия. Плата преобразования ёмкость-код для датчиков типа МА-10 формирует выходной сигнал датчика в цифровом виде – интерфейс UART. Наличие 32-разрядного микроконтроллера позволяет реализовать температурную компенсацию. Сам акселерометр выполнен в стандартном металлостеклянном корпусе типа 151.15-8 (производства ЗАО «МАРС», г. Торжок) размерами 19,5×14,5×5 мм. Несомненным достоинством МА-10 является малый уровень шумов порядка 100 µg (1s) в диапазоне ±50g. Другие характеристики МА-10:

• диапазон измерения ускорения: ±50g (возможен заказной диапазон),
• СКО «шума» выходного сигнала: 2,5mg,
• спектральная плотность «шума»: 0,3mg/√Гц,
• напряжение питания: 3,3 В,
• потребление тока: 2 мА.

МЭМС-акселерометр МА-20 выдаёт аналоговый выходной сигнал в виде напряжения, пропорционального проекции кажущегося ускорения на измерительную ось. ЧЭ вместе с платой преобразования размещены в корпусе размерами 38ґ26ґ16 мм, МА-20 – стойкий к внешним воздействующим факторам, малошумящий. От предыдущей модели МА-20 отличается, в первую очередь, существенно более широкой полосой пропускания. Другие характеристики МА-20:

• диапазон измерения ускорения: ±5g (возможно заказное значение),
• полоса пропускания по уровню –3 дБ: &gt, 250 Гц,
• спектральная плотность шума: 25 µg/√Гц,
• напряжение питания: 5 В,
• потребление тока: &lt, 30 мА.

Исследования изготовленных образцов МЭМС-акселерометров проводились на автоматизированном стенде c поворотным столом, так, чтобы ось чувствительности датчика была перпендикулярна оси вращения центрифуги. Необходимое ускорение, подаваемое на МЭМС-акселерометр, обеспечивалось путём вращения поворотного стола центрифуги. Разработанное программное обеспечение позволяет проводить испытания в автоматическом режиме: задавать необходимую угловую скорость вращения поворотного стола, записывать выходные данные с датчиков, рассчитывать параметры МЭМС-акселерометра. Стенд регистрирует основные параметры МЭМС-акселерометра: смещение нуля, масштабный коэффициент, нелинейность статической характеристики. Результаты проведённых исследований приведены в табл. 1, сравнительные данные для аналогов получены из открытых источников. Таблица 1. Результаты испытаний опытных образцов микромеханических акселерометров типа МА-10 и МА-20 и сравнение с аналогами других производителей

Датчики удара

Микромеханические датчики удара представляют собой крайне перспективное изделие, ориентированное на массовое применение в абсолютно различных отраслях: в бытовой технике, промышленной автоматике, логистике, системах безопасности, на транспорте, в строительной, авиационной технике и в ряде узкоспециальных применений.Благодаря своей «электронной» природе эти датчики лучше встраиваются в инфраструктуру нового цифрового мира, чем их предшественники – классические миниатюрные механические электрические замыкатели с нормированным усилием сжатия спиральной пружины под воздействием калиброванного грузика. Основными достоинствами таких датчиков являются: низкое энергопотребление, малые габариты и масса, высокая ударопрочность, а также невысокая стоимость при серийном производстве. Микромеханический датчик удара серии КМГ представляет собой нормально разомкнутый ключ, подвижный элемент которого – инерционная масса с металлизированными контактами, подвешенная на торсионах, сформированных глубоким травлением. При достижении номинального значения ударного воздействия инерционная масса перемещается и замыкает металлизированные контакты, расположенные на противоположной стороне полости – крышке. Таким образом замыкается электрическая цепь, и датчик срабатывает (рис. 4). Рис. 4. МЭМС датчик удара: а) внешний вид бескорпусного варианта, б) габаритные размеры и эквивалентная схема В бескорпусном исполнении датчик имеет размеры 3,2×3,2×1,4 мм с двумя треугольными контактными площадками 0,125 мм² на верхней плоскости для разварки гибких выводов. При заказе потребитель может выбрать уровень срабатывания и форм-фактор датчика (корпусной или бескорпусной). Основные характеристики освоенных в производстве датчиков удара типа КМГ-1:

• диапазон уровней срабатывания: 0,5…200g (для КМГ-1 выбирается при заказе),
• разброс уровня срабатывания: ≤ 10%,
• сопротивление ключа в разомкнутом положении: 2 МОм,
• рабочее напряжение: 3,3…5 В,
• потребление тока: ≤ 2 мА,
• стойкость к одиночному механическому удару: 30 000g.

Комбинируя в одном изделии датчики КМГ-1 (обеспечивает замыкание контактов при действии номинальной перегрузки, действующей перпендикулярно плоскости основания) и КМГ-2 (обеспечивает замыкание контактов при действии номинальной перегрузки, действующей параллельно плоскости основания), можно реализовать разные сценарии реагирования на внешние воздействия.

Датчики угловой скорости (ДУС)

Для датчика угловых скоростей (ДУС) в ООО «ЛМП» разработан и освоен в производстве ЧЭ на основе кольцевого резонатора. Подобные кольцевые резонаторы на протяжении нескольких десятилетий используют многие зарубежные производители для твердотельных волновых гироскопов с высокими показателями точности и стабильности. Современные технологии МЭМС позволили снизить себестоимость ЧЭ и точнее управлять их характеристиками на стадии разработки и массового производства. Конструкция ЧЭ обеспечивает надёжность и долговременную стабильность в широком диапазоне рабочих температур от –50°С до +125°С и механическую прочность без ухудшения параметров при одиночных ударах до 5000g. Кремниевый чувствительный элемент состоит из резонатора, подвешенного при помощи восьми торсионов к основанию в магнитной системе (рис. 5). Рис. 5. Чувствительный элемент МЭМС-ДУС Кремниевый ЧЭ сращивают со стеклом и размещают в однородном магнитном поле. Магнитное поле образует магнитная система, состоящая из кобальто-самариевого магнита, верхнего и нижнего магнитопроводов. Предварительно собранный ЧЭ с основанием и постоянным магнитом помещается в герметизированный металлостеклянный корпус, вакуумируется, а затем сопрягается с внешним блоком электроники (рис. 6). Рис. 6. Этап корпусирования чувствительного элемента МЭМС-ДУС На основе описанного ЧЭ производится аналоговый однокомпонентный МЭМС-ДУС модели ТГ-100 в прочном корпусе размерами 51×37×23 мм. Высокая стабильность нуля позволяет применять его для решения широкого круга задач навигации и стабилизации полезной нагрузки, а встроенный термодатчик позволяет алгоритмическими методами температурной компенсации улучшить показатели стабильности (рис. 7). Рис. 7. МЭМС-ДУС модели ТГ-100 Основные характеристики МЭМС-ДУС модели ТГ-100:

• диапазон измерения угловой скорости: ±100°/с (выбирается при заказе),
• нелинейность: &lt, 0,15%,
• нестабильность смещения нуля (по диаграмме Аллана): &lt, 2°/ч,
• случайная составляющая шума выходного сигнала: 0,052°/√ч,
• полоса пропускания (по уровню –3 дБ): не менее 50 Гц,
• напряжение питания: 5 В,
• потребление тока: &lt, 100 мА.

Воздействия, используемые для имитации внешних воздействующих факторов (ВВФ) при испытаниях:

• температурные циклы от 0°С до +50°С со скоростью изменения температуры 1…2°С/мин,
• линейное ускорение величиной до 200g по трём осям,
• широкополосная случайная вибрации амплитудой до 12g в диапазоне частот от 100 до 2000 Гц по трём осям.

Аналоговый интерфейс МЭМС-ДУС, доступный потребителю, представлен тремя сигналами:

• напряжение, пропорциональное проекции угловой скорости вращения на измерительную ось,
• напряжение, пропорциональное температуре платы МЭМС-ДУС,
• опорное напряжение, генерируемое схемой обработки сигнала.

Таким образом, пользователь имеет инструменты для реализации собственных алгоритмов термокомпенсации с учётом поведенческой модели своего объекта, его рабочих циклов и фактических внешних воздействий [1–3]. Показателем качества поставленных в компании процессов разработки, производства, тестирования датчиков, высокого уровня постобработки сигналов датчиков и надёжности конструктивных решений корпусов многокомпонентных БИНС собственного изготовления служит включение модуля базовой линейки ГКВ-10 в реестр утверждённых средств измерения (приказ Росстандарта от 04.10.2019 № 2344). Все накопленные компетенции ООО «ЛМП» воплощены в новом флагмане компании – модуле ГКВ-7 (рис. 8). Рис. 8. Новый БИНС ГКВ-7 с 2-антенным приёмником ГНСС Это 10-компонентный БИНС с двухантенным мультисистемным приёмником сигналов ГНСС с RTK. Основные улучшения, реализованные в ГКВ-7 в сравнении с базовой линейкой:

• универсальный малогабаритный 15-контактный разъём Micro D-Sub, цепи синхронизации теперь выделены, возможно исполнение со свободными концами – жгутом,
• коаксиальный разъём SMA для ГНСС-антенн заменён на малогабаритный MMCX,
• 2-антенное решение, теперь курс вычисляется в статике,
• универсальный корпус с возможностью OEM-исполнения,
• увеличена надёжность изделий за счёт каркасной конструкции,
• добавлены юстировочные отверстия для исключения люфта при установке изделия на объект,
• массогабаритные характеристики не ухудшились, общая высота модулей стала меньше: габариты 42×62×20,5 мм, масса от 55 до 65 г,
• четырёхпроводный RS-422 и двухпроводный RS-485 интерфейсы дополнены вариантом с CAN, также возможно исполнение с UART,
• барометр заменён на более точный с диапазоном измерения от 260 до 1260 гПа, СКО шума 0,007 гПа.

Компания не ограничивается улучшением своих конструкторских и технологических решений и оптимизацией математической обработки «сырых» данных. Специалисты ООО «ЛМП» поддерживают обратную связь с потребителями своей продукции, участвуют в совместных ОКР и НИОКР с целью создания ещё более совершенных чувствительных элементов и инерциальных измерительных модулей.

Литература

1. Тимошенков С.П., Анчутин С.А., Зарянкин Н.М. и др. Проектирование и изготовление чувствительного элемента МЭМС-акселерометра // Нано- и микросистемная техника. Т. 23. 2021. № 2. С. 63–67.
2. Тимошенков С.П., Анчутин С.А., Плеханов В.Е. и др. Исследование кольцевого микрогироскопа // Нано- и микросистемная техника. 2019. № 10. С. 634–640.
3. Кочурина Е.С., Виноградов А.И., Боев Л.Р. и др. Разработка и исследование микромеханического датчика удара // Российский форум «Микроэлектроника-2021». 7-я Научная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули». Сборник тезисов. Крым, г. Алушта, 3 октября – 9 октября 2021 г. М., 2021. С. 547–548.