«Профориентация» микроэлектромеханических систем

Раз микромашины так многолики, то и сферы их применения чрезвычайно разнообразны. В данном обзоре разделим MEMS на 3 функциональные категории и попытаемся перечислить точки приложения каждой из них.

 

1. Сенсоры — «интеллигенты-аналитики», высокочувствительные микромашины. Именно в сфере сенсорики трудится большинство выходцев из MEMS-лабораторий: например, миниатюрные датчики давления (кровяного или в покрышках автомобилей), температуры, влажности, радиации, магнитных полей, инерционных сил, химических веществ и т.п. Наиболее известные приборы на их основе — акселерометры и гироскопы в автомобилях, летательных аппаратах и мультироторах, в потребительской электронике (телефонах, цифровых камерах),микрофоны, «лаборатории на чипе», слуховые аппараты.

Акселерометры — детекторы ускорения — одна из самых ранних MEMS-разработок, которая сейчас используется в игровых приставках и во многих автомобилях для выпуска защитных подушек при столкновении.

Гироскопы — датчики переворота и элементы GPS-навигации в автомобилестроении, однако активное внедрение кремниевых гироскопов в медиаустройства тормозится сложностью корпусирования и дороговизной, связанными с базовой проблемой — высокой чувствительностью этих элементов к стрессовым воздействиям.

Уже в ближайшее время планируется создание мультисенсорных модулей с 10-ю степенями свободы, выполняющих одновременно функции трёхосевых акселерометра, гироскопа, магнетометра, а также сенсора давления.

Через пару-тройку лет обещают даже интеграцию всего перечисленного добра на одном кристалле. Но есть и обидные помехи, которые непременно нужно преодолеть, — высокая себестоимость таких химер, пресловутое проблемное корпусирование и ещё более проблемное тестирование.

Способность MEMS к преобразованию механических колебаний и вибраций в электрический ток используют в energy scavenging chips — датчиках, извлекающих энергию «из воздуха». Такие чипы пытаются применять в рамках подходаenergy harvesting (производство и аккумуляция энергии из всевозможных природных стихий и прочих «халявных» воздействий). MEMS-чипы в этом смысле весьма перспективны для замены ординарных батареек и аккумуляторов в маломощных гаджетах, электронной одежде, медицинских устройствах для непрерывного функционального мониторирования.

Об определённых успехах заявляет, в частности, Texas Instruments. А британская фирма Perpetuum в 2013 году представила вибрационный «сборщик энергии» (VEH, Vibration Energy Harvester) — простой и некапризный датчик, измеряющий температуру и передающий эти данные по беспроводной связи оператору. Но самое интересное — всю необходимую для этого электроэнергию VEH сам вырабатывает из механических колебаний: он устанавливается на вращающиеся детали (например, колёса поездов). Собственно, и сослужить добрую службу он должен именно железнодорожникам, молниеносно фиксируя опасное повышение температуры в подшипниках вагонных колёс.

Большие надежды возлагаются и на «электронный нос», имитирующий обоняние животных и способный различать широкий спектр химических веществ в среде. Сейчас с этим справляются разнообразные спектрометры — крупногабаритные, стационарные и дорогие приборы. Очевидно, что для полевых и бытовых условий, для массового пользования, подойдут только дешёвые портативные аналоги. Но очень сложно подобрать какой-то один материал или универсальную технологию для идентификации разных молекул и калибровать по ним устройство. Но ничего фантастического в этой затее нет — решения рано или поздно найдутся.

 

2. Актуаторы, приспособленные к тяжёлому физическому труду, пока «выпускаются» ограниченно, но как и квалифицированные рабочие, они очень востребованы в промышленности. Наиболее часто в литературе обсуждаютсяподвижные микрозеркала, микроклапаны для контроля потока жидкостей или газа, микронасосы, элементыголовок струйных принтеров для скоростной печати (Memjet), хирургические микроинструменты, микротранспортеры.

В этом ролике миниатюрное зеркало вращается по разным траекториям.

Микромеханические зеркала включают в «начинку» многоканальных коммутаторов оптоволоконных сетей, цифровых проекторов, телескопов и микроскопов. Ну и никуда не деться сейчас от всяких интернет-гаджетов: MEMS-зеркала успешно работают в технологиях создания пикопроекторов. При «доведении до ума» всех характеристик такие проекторы позволят визуализировать, например, собеседника при разговоре по телефону или фото/видео, проецируя картинку со смартфона на стену, одежду, лист бумаги. Однако приходится пока поломать голову над созданием эффективного источника света — энергоэкономичного, но обеспечивающего высокую яркость изображения.

На видео представлен принцип действия проектора PicoP компании Microvision Inc.: микрозеркало формирует изображение, сканируя и отклоняя в нужном направлении пучок из трёх разноцветных лазерных лучей, преломлённых линзой.

Микроактуаторы также рекрутировали для точной подстройки магнитных головок, отвечающих за детекцию сигналов в накопителях на магнитных дисках. MEMS в данном случае позволяет повысить плотность информации «дорожка на дюйм», а потому и ёмкость накопителя.

Созданы и микроэлектромеханические актуаторы, способные работать как высокочастотные резонаторы.

3. Резонаторы или осцилляторы — перспективные «кадры» для синхронизации и фильтрации частот (в часах реального времени, портативной электронике, брелоках-ключах для автосигнализации и др.). Миниатюрные MEMS могут заменить целые узлы для широкополосных систем связи, снизив тем самым массогабаритные показатели, стоимость и энергопотребление устройств радиочастотной коммуникации.

Высокочастотные MEMS-осцилляторы (1-125 МГц) 2006 года выпуска от компании SiTime имели размеры 2×2,5×0,85 мм. Резонаторы семейства SiT15xx (1-32 кГц, 2013 год) оказались на 85% меньше, в 15 раз надёжнее и на 50% энергоэкономичнее, чем кварцевые аналоги. Кстати, даже первый кремниевый МЭМС-резонатор в пластмассовом корпусе SiT1052 позиционировался SiTime как заведомо бездефектный продукт. По мнению экспертов, MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы. Благодаря разработке упаковки, совместимой с традиционной CMOS-архитектурой, новые MEMS-устройства активно приобретаются микроэлектронщиками, замещая кварц кремнием в технологиях синхронизации.

MEMS-приборы способны вытеснить с рынка менее компактные и устойчивые к механическому шоку и вибрации, но более дорогие кварцевые осцилляторы.

Все приведённые выше категории микромашин «встречаются» в мобильных интернет-устройствах. Симбиотические отношения в них выстраивают акселерометры (в смартфоне количество этих MEMS перевалило уже за десяток), гироскопы, микрофоны, радиочастотные переключатели и резонаторы. Возможно, в скором времени все они найдут применение и в компонентах систем «Умный дом», поспособствовав более широкому внедрению этих технологий в быт населения с невысокими доходами.

Тройку лидеров по производству MEMS-устройств формируют компании ST Microelectronics, Bosch и Texas Instruments.

В будущем много интересных решений ожидают от реализации на одном чипе систем «глаз (сенсор)-мозг (микросхема)-рука (актуатор)», способных одновременно чувствовать среду, управлять ею и проводить самотестирование, существенно снижая при этом стоимость конечного продукта.

Применение МЭМС-технологии для навигации

Появление микроэлектромеханических систем (МЭМС) позволило создать массу миниатюрных, надежных и недорогих устройств, которые стали востребованы практически во всех отраслях производства и на потребительском рынке. По мере совершенствования технологий производства, повышения качества и характеристик МЭМС изделия стали все более широко применяться в оборонной, авиационно-космической, энергетической и других высокотехнологичных отраслях.

Одной из областей, где применяются МЭМС устройства, является инерциальная навигация. Применение в инерциальных навигационных системах (ИНС) МЭМС акселерометров и гироскопов позволяет реализовывать методы инерциальной навигации на новом уровне, когда миниатюрные датчики служат источниками данных о параметрах движения летательных аппаратов, транспортных средств и судов.

В настоящей статье говорится об инерциальных датчиках, выполненных с использованием МЭМС технологий производства компаний Sensonor и Colibrys, как примерах МЭМС устройств, позволяющих в полной мере использовать преимущества современных технологий в навигационных системах, обеспечивая их уменьшение, удешевление и возможность более широкого внедрения.

Инерциальная навигация

Инерциальная навигация — метод определения координат и параметров движения различных объектов (судов, самолетов и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел. Принцип инерциальной навигации заключается в измерении движений объекта, характеризуемых изменениями во времени его ускорения, скорости и координат, при помощи датчиков пространственного перемещения. Полученные от датчиков данные используются для решения задач навигации, управления и наведения.

В датчиках, измеряющих пространственное перемещение, используются подвижные массы в качестве чувствительных элементов. Такая масса под действием сил инерции, возникающих при изменении параметров движения объекта, перемещается на определенную величину, которая измеряется и преобразуется в электронный вид.

Датчики пространственного перемещения, называемые инерциальными датчиками, формируют системы инерциальной навигации (наведения), которые обеспечивают автономное измерение ускорений объекта (например, судна или летательного аппарата), определение его скорости, положения в пространстве и расстояния, пройденного им от исходной точки и, таким образом, вырабатывают навигационную информацию и данные для управления объектом.

Ускорение - векторный параметр, имеющий как численное значение, так и направление. Таким образом, для получения полной информации об ускорении, требуются измерительные преобразователи, измеряющие оба эти показателя. В качестве датчиков в системах инерциальной навигации применяются акселерометры и гироскопы. Первые измеряют величину ускорения, вторые предоставляют информацию об угловой скорости, по которой определяется направление.

Акселерометры, измеряя фактическое ускорение летательного аппарата, в то же время подвержены влиянию гравитационного поля Земли. Для реализации алгоритмов компенсации этого влияния на акселерометры необходима опорная система координат, которая обеспечит данными о текущем положении акселерометров.

В классических ИНС с гироскопами вращения опорная система координат реализовывалась за счет установки акселерометров и гироскопов на стабилизированной платформе в кардановом подвесе. Такая конструкция позволяет изолировать датчики от поворотов летательного аппарата, делая пространственное положение акселерометров неизменным относительно Земли при движении объекта.

При создании современных ИНС чаще используются системы, которые называются бесплатформенными (БИНС), акселерометры и гироскопы в них жестко связаны с корпусом объекта. Измерения с выходов гироскопов поступают непосредственно на компьютер, вычисляющий мгновенную ориентацию акселерометров в опорной системе координат и формирующий соответствующие сигналы, компенсирующие влияние гравитации.

Учитывая, что опорная система координат в БИНС реализована на базе программной обработки данных от гироскопов и акселерометров, а также конструкции современных инерциальных датчиков, в таких системах нет вращающихся частей, они существенно проще по конструкции и дешевле в производстве, чем классические ИНС.

Основное достоинство ИНС – автономность. Работа таких систем не подвержена влиянию погодных условий и электромагнитного излучения, не требует наличия внешних сигналов, сами ИНС являются локальными системами, не требующими для своей работы организации канала обмена данными, например, между летательным аппаратом и землей.

Недостатками ИНС являются необходимость их начальной настройки (выставки) и накопление ошибок со временем.

Частным случаем современных БИНС являются системы определения курса и пространственного положения (англ. – AHRS), более известные как курсовертикали. Такие системы содержат в себе многоосевые датчики, которые выдают данные измерений для определения направления, углового и пространственного положения, поворотов в различных плоскостях самолета или иного объекта, передвигающегося в пространстве.

Курсовертикали создавались, чтобы заменить традиционные механические гироскопические пилотажные приборы, и обеспечивают высокую надежность и точность. Такие системы включают в себя твердотельные или МЭМС гироскопы, акселерометры и магнитометры для всех трех осей. Некоторые курсовертикали используют приемники GPS для улучшения долговременной стабильности гироскопов. Фильтр Калмана используется для получения оптимальной оценки полученных данных измерений.

Рис. 1. Курсовертикаль в составе авиационных приборов

 

Инерциальные навигационные системы требуют процесса инициализации, в ходе которого производится настройка системы по местоположению и по пространственному положению (ориентации относительно заданной базы, например, горизонта). Пространственное положение можно задать, пользуясь акселерометрами для определения направления вертикали и гироскопами для определения вращения Земли. Этими векторами определяются оси опорной системы координат.

Этот процесс называется выставкой и, как правило, требует, чтобы объект оставался неподвижным в течение некоторого периода времени, необходимого для определения начального положения.

Рис. 2. Внешний вид курсовертикали

 

При выставке инерциальная система координат проходит через процедуру автонастройки, которая позволяет выровнять вертикальную ось локальной системы координат по измеренному ускорению и измерить горизонтальную скорость Земли для определения начального азимута.

В случае, если начальное положение объекта известно, и гироскопы обеспечивают точные измерения, то этих данных будет вполне достаточно для навигации. Однако, первоначальное положение известно в очень редких случаях, а гироскопы обычно выдают искаженные данные из-за дрейфа нуля и нестабильности включения.

И гироскопы, и акселерометры подвержены смещению и дрейфу нуля, несоосности, ошибкам ускорения (g-чувствительность), нелинейным эффектам и погрешности масштабного коэффициента. Эти ошибки учитываются при настройке системы. Наибольшая погрешность в курсовертикалях связана со смещением нуля гироскопов.

При работе ИНС ошибки со временем накапливаются из-за того, что система интегрирует все входные данные, включая ошибки. Так, скорость движения вычисляется интегрированием измеряемого акселерометрами ускорения, и постоянная ошибка в этих измерениях приводит к постоянно увеличивающейся ошибке скорости. Ошибки гироскопов обуславливают появление дополнительных ошибок в определении направления при измерении ускорения и ускорения свободного падения, а постоянное интегрирование приводит к возрастанию этих неточностей.

Без применения алгоритмов фильтрации и раздельных независимых измерений акселерометров и гироскопов результат навигационных вычислений будет отличаться от истинной траектории.

Коррекция на базе фильтра Калмана обеспечивает калибровку гироскопов в режиме онлайн, передавая значения корректировок в блок вычислений и, определяя характеристики текущего смещения гироскопов. Акселерометры обеспечивают выдачу опорной информации о пространственном положении объекта, используя земную гравитацию.

В основном, роль акселерометров в курсовертикалях заключается в обеспечении опорной информации о начальном положении и коррекции пространственного положения путем компенсации дрейфа гироскопов во время движения.

В настоящее время существуют различные типы курсовертикалей:

• Высокоточные системы используют кольцевые лазерные гироскопы (RLG) или волоконно-оптические гироскопы (FOG). К точности таких систем предъявляются очень высокие требования, поскольку они используются в режиме автоматического полета и должны быть настолько точными, чтобы предотвратить, например, контакт крыльев крупных самолетов с землей во время взлета или посадки, особенно в тумане и в экстремальных погодных условиях. Для этого типа навигационных систем требуются акселерометры со стабильностью смещения не менее 2mg при любых условиях, включая диапазон изменения температур, линейность, эффекты второго порядка и несоосность.

• Курсовертикали более низких классов используются в качестве вспомогательных систем ориентирования пилотов или как резервные навигационные системы, и не требуют таких высоких точностей. Такие курсовертикали очень часто используются в небольших гражданских самолетах и на некоторых беспилотных летательных аппаратах (БЛА). В этих случаях используются МЭМС гироскопы, а также акселерометры более низкого класса.