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:
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:
Рассмотрим подробнее характеристики новых моделей датчиков.
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).
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.
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:
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:
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.
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).
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:
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.
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).
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).
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).
Основные характеристики МЭМС-ДУС модели ТГ-100:
Воздействия, используемые для имитации внешних воздействующих факторов (ВВФ) при испытаниях:
Аналоговый интерфейс МЭМС-ДУС, доступный потребителю, представлен тремя сигналами:
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).
Это 10-компонентный БИНС с двухантенным мультисистемным приёмником сигналов ГНСС с RTK.
Основные улучшения, реализованные в ГКВ-7 в сравнении с базовой линейкой:
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.
Обзор рынка анализаторов спектра и сигналов
В статье приводится обзор состояния рынка анализаторов спектра (АС), включая настольные и портативные варианты исполнения, а также рынка анализаторов фазового шума (ФШ) на основе информации из открытых источников (Федеральный информационный фонд по обеспечению измерений ФГИС «АРШИН») [1]. Проведён анализ изменения конъюнктуры рынка и объёмов потребления начиная с 2019 года, включая новых производителей оборудования, вышедших на рынок после февраля 2022 года. 15.04.2024 СЭ №4/2024 585 0 0Частицы в ультрачистой воде
Статья написана по материалам международной технологической дорожной карты для полупроводников (IRDS™ 2023) и посвящена обзору технологии контроля концентрации частиц в ультрачистой воде. 15.04.2024 СЭ №4/2024 615 0 0Двухканальный индикатор уровня звука на базе микроконтроллера EFM8LB12 и дисплея OLED 1306
В статье приведены принципиальная схема, разводка и внешний вид платы, программные средства и результаты работы двухканального индикатора уровня звука на основе микроконтроллера (МК) EFM8LB12, двух ОУ MCP6002 и дисплея OLED 1306, на котором для каждого канала отражаются гистограммы с высотой, пропорциональной уровню звука соответствующего канала. Такой индикатор может быть установлен на переднюю панель аудиоусилителя. По сравнению с похожими покупными индикаторами описываемый индикатор отличается простотой и стоит в несколько раз дешевле. 15.04.2024 СЭ №4/2024 561 0 0Электронные датчики и радары в системе беспроводной связи ОТА, LOP и E-peas
В будущем разработчиков РЭА ожидает эра «одноразовых» устройств: «установил и забыл» – надёжные, устойчивые к внешним воздействиям среды, но не предназначенные для ремонта. Одна из важных решаемых задач – сочетание сбора энергии из среды, её преобразование в электрическую и применение датчиков и микроконтроллеров с крайне низким энергопотреблением. В сочетании с технологиями E-peas (Electronic portable energy autonomous systems – автономные портативные электронные системы), LOP (с низким энергопотреблением) и решениями NXP возникают перспективы датчиков положения, давления и измерения сопутствующих величин от OEM-производителей. С аппаратными настройками и масштабируемостью производительности РЭА в формате процессоров S32R с исключением ошибок в передаче данных аналогового и смешанного сигнала беспроводным способом на небольшие расстояния. В статье представлены примеры системных решений для организации и управления питания датчиков РЭА, задействованных в беспроводной передаче данных, сетевых технологиях и транспортной технике с беспроводной сетью ОТА (Over-the-air – по воздуху). 15.04.2024 СЭ №4/2024 585 0 0