Актуальность темы
Освоение технологии изготовления 3D механических структур с использованием оборудования, применяемого в микроэлектронике, открыло путь к созданию сверхминиатюрных электромеханических систем. Это новое направление в области приборостроения получило название технологии МЭМС (микроэлектромеханических систем). Наиболее сложными МЭМС устройствами являются микромеханические гироскопы (ММГ), появившиеся на рынке сравнительно недавно.
Работы по созданию ММГ начались с 1990-х г. в ряде ведущих лабораторий и институтов зарубежных стран. В настоящее время несколько крупных зарубежных фирм серийно выпускают ММГ низкого класса точности, например, Analog Devices, Epson, BAE, Honeywell, Bosch и др.
В зарубежных странах ММГ используются в автомобильной промышленности, робототехнике, системах стабилизации различных объектов от беспилотных летательных аппаратов до видеокамер.
Повышение точности ММГ позволит использовать их в новых областях гражданской и военной техники, в частности для обеспечения навигации и управления малыми подвижными объектами. Примерами таких объектов являются беспилотные летательные аппараты или “интеллектуальные снаряды”.
В России разработка ММГ находится на этапе изготовления и исследования опытных образцов. Однако важность этого направления приборостроения подтверждается списком критических технологий, утвержденным президентом России 21.05.2006 (п.п.11 и 23). В настоящее время русские производители миниатюрных интегрированных систем используют зарубежную элементную базу (например, система STA30 разработки НТЦ “РИССА”). Производство отечественных ММГ позволит заместить импортируемую технику и снизить зависимость разработчиков от зарубежных поставщиков.
Принцип действия
Принцип действия ММГ основан на измерении вторичных колебаний инерционной вибрирующей массы, которые возникают под действием кориолисовых сил инерции при вращении основания. Одним из эффективных способов увеличения точности в таких гироскопах является использование резонансных свойств чувствительного элемента (ЧЭ) датчика. При этом первичные колебания возбуждаются на собственной частоте его механического резонанса. Максимальная чувствительность датчика достигается при равенстве собственных частот первичных и вторичных колебаний. Однако погрешности изготовления не позволяют обеспечить такую настройку с необходимой точностью. Кроме того, приборы с резонансной настройкой имеют очень узкую полосу пропускания. Специалисты считают, что наиболее эффективный путь повышения точности – это создание приборов с активным управлением характеристиками первичных и вторичных колебаний.
Приведены результаты математического моделирования, исследования динамики и погрешностей, ударных воздействий, разработки конструкций и отработки технологических процессов изготовления микромеханических гироскопов. В системах управления робототехнических комплексов в качестве датчиков первичной информации все более широкое применение получают микромеханические гироскопы (ММГ). ММГ характеризуются сверхмалыми массой и габаритами, малым энергопотреблением, чрезвычайно низкой стоимостью и, вместе с тем, высокой устойчивостью к внешним воздействиям.
В комплексе со спутниковыми навигационными системами, дальномерными системами и иными источниками внешней информации ММГ позволяют создавать малогабаритные инерциальные системы управления робототехнических комплексов, обеспечивающие необходимую точность определения параметров ориентации и позиционирования.
В настоящей статье рассмотрены конструктивные схемы ММГ, разрабатываемые АОЗТ “ГИРООПТИКА” совместно с лабораторией микротехнологии и микроэлектромеханических систем СПбГТУ (рис. 1,2).
Рис. 1. ММГ с поступательным движением чувствительных масс конструкции АОЗТ “ГИРООПТИКА”
Рис. 2. Роторный ММГ конструкции АОЗТ "ГИРООПТИКА"