МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХОСЕВОГО МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА-АКСЕЛЕРОМЕТРА

  • И. Е. Лысенко Южный Федеральный Университет
  • Д. Ю. Севостьянов Южный Федеральный Университет
  • Н. Ф. Кидяев Южный Федеральный Университет
  • А. В. Ярцев Южный Федеральный Университет
Ключевые слова: Микроэлектромеханические системы, элементная база, акселерометр, конструкция, модель, моделирование

Аннотация

Моделирование МЭМС-гироскоп-акселерометра с помощью SIMULINK. Для модели-
рования используется 2х осевой акселерометр, разработанный в рамках патента
№2683810. При возникновении линейного ускорения вдоль оси, расположенной в плоскости
полупроводниковой подложки, инерционные массы под действием сил инерции начинают
перемещаться вдоль оси Х в плоскости полупроводниковой подложки, за счет изгиба упру-
гих балок, которые одними концами жестко соединены с подвижными электродами емко-
стных преобразователей перемещений, а другими – с опорами, соответственно, упругих
балок и «П»-образных систем упругих балок, которые одними концами жестко соединены
с подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, а другими –
с опорами. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях переме-
щений, образованных неподвижными электродами емкостных преобразователей переме-
щений и подвижными электродами емкостных преобразователей перемещений, соответ-
ственно, за счет изменения величины зазора между ними, характеризует величину линей-
ного ускорения. При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов с
гребенчатыми структурами переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга
по фазе на 1800, относительно подвижных электродов, между ними возникает электро-
статическое взаимодействие, что приводит к возникновению противофазных колебаний
подвижных электродов в плоскости полупроводниковой подложки вдоль оси Х за счет из-
гиба упругих балок. Колебания передаются пластинами жесткости упругого подвеса
86, 87, что вызывает противофазные колебания инерционным массам в плоскости полу-
проводниковой подложки вдоль оси Y. Разность напряжений, генерируемых на емкостных
преобразователях перемещений, образованных неподвижными электродами емкостных
преобразователей перемещений и подвижными электродами емкостных преобразователей
перемещений, соответственно, за счет изменения величины зазора между ними, характе-
ризует величину перемещений инерционных масс под действием электростатических сил.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый интегральный
микромеханический гироскоп-акселерометр позволяет сократить площадь подложки, ис-
пользуемую под размещение измерительных элементов величин угловой скорости и линей-
ного ускорения, так как для измерения величин линейного ускорения вдоль осей Х и Y, распо-
ложенных взаимно перпендикулярно в плоскости подложки, и оси Z, направленной перпен-
дикулярно плоскости подложки, и угловой скорости вдоль оси Х, расположенной в плоско-
сти подложки, и оси Z, направленной перпендикулярно плоскости подложки используется
только один интегральный микромеханический сенсор. Для математического моделирова-
ния подобных систем принято использовать HAMSTER, но в своей работе мы предпочли
ему SIMULINK. Simulink – это графическая среда имитационного моделирования, позво-
ляющая при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов, строить динамические
модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы.
Интерактивная среда Simulink, позволяет использовать уже готовые библиотеки блоков
для моделирования электросиловых, механических и гидравлических систем, а также при-
менять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управления,
средств цифровой связи и устройств реального времени. Актуальной темой для исследования представляется разработка конструкции МЭМС-акселерометра высокой точности и помехоустойчивости. Ранее было произведено математическое моделирование движения
микромеханического акселерометра, но выходной результат нуждался в корректировке.
В данной статье продемонстрирована корректировка математической модели посредст-
вом введения в нее передаточной функции.

Литература

1. Trusfus M.V., Kirpichnikov A.P., Yakimov I.M. Modelirovanie v sisteme strukturnogo i
imitatsionnogo modelirovaniya SIMULINK [Modeling in the system of structural and simulation
modeling SIMULINK], Tekst nauchnoy stat'i po spetsial'nosti «Kibernetika» [Text of a
scientific article on the specialty "Cybernetics"].
2. Timoshenkov S.P., Kul'chitskiy A.P. Primenenie MEMS-sensorov v sistemakh navigatsii i
orientatsii podvizhnykh ob"ektov [Application of MEMS sensors in navigation and orientation
systems for mobile objects], Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano-and Microsystem technology],
2012, No. 6, pp. 51-56.
3. Ivanov P.A. Razrabotka i issledovanie metodov ispytaniy mikromekhanicheskikh
inertsial'nykh moduley: avtoref. diss. … kand. tekhn. nauk [Development and research of test
methods for micromechanical inertial modules: abstract cand. of eng. sc. diss.]. Saint Petersburg:
SPBGETU im. V.I. Ul'yanova Sankt-Peterburg, 2011, 18 p.
4. Lysenko I.E., Konoplev B.G., Kidyaev N.F., Shafrostova S.I. Patent na izobretenie №2683810
«Integral'nyy mikromekhanicheskiy giroskop-akselerometr» [Patent for invention No. 2683810
"Integrated micromechanical gyroscope-accelerometer"].
5. Zheltova N.N., Obukhov, V.I. Primenenie mikromekhanicheskikh giroskopov v
navigatsionnykh sistemakh [Application of micromechanical gyroscopes in navigation systems],
Tr. NGTU im. R.E. Alekseeva [Proceedings of the NSTU. R. E. Alekseeva], 2015, No. 1
(108), pp. 269-273.
6. Raspopov V.Ya. Mikromekhanicheskie pribory [Micromechanical devices]. Tula: Tul'skiy
gosudarstvennyy universitet, 2007.
7. Lysenko I.E., Naumenko D.V. Raschet amplitudno-chastotnykh kharakteristik chuvstvitel'nogo
elementa mikromekhanicheskogo giroskopa s pomoshch'yu konechno-elementnogo
modelirovaniya [Calculation of the amplitude-frequency characteristics of the sensing element
of a micromechanical gyroscope using finite element modeling], Izvestiya YuFU.
Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2019, No. 3 (205), pp. 143-152.
8. Lysenko I.E., Ezhova O.A. Trekhosevoy mikromekhanicheskiy akselerometr v odnokristal'nom
ispolnenii s diapazonom izmeryaemykh lineynykh uskoreniy ±10 g [Three-axis micromechanical
accelerometer in single-chip design with a range of measured linear accelerations of ±10
g], Nanoindustriya [Nanoindustry], 2019, No. 89, pp. 596-598.
9. Lysenko I.E., Tkachenko A.V. Razrabotka VCh MEMS-pereklyuchatelya emkostnogo tipa s
perforirovannoy metallicheskoy membranoy [Development of a high-frequency MEMS switch
of a capacitive type with a perforated metal membrane], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2018, No. 2 (196), pp. 6-16.
10. Lysenko I.E., Ezhova O.A. Razrabotka i issledovanie konstruktsii mikromekhanicheskogo
sensora lineynykh uskoreniy [Development and structural study of micromechanical linear acceleration
sensor], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences],
2017, No. 3-4 (188-189), pp .223-232.
11. Lestev A.M., Popova I.V., Pyatyshev E.N. i dr. Razrabotka i issledovanie mikromekhanicheskogo
giroskopa [Development and research of a micromechanical gyroscope], Giroskopiya i navigatsiya
[Gyroscopy and navigation], 1999, No. 2.
12. Babur N., Shmidt Dzh. Napravleniya razvitiya inertsial'nykh datchikov [Directions of development
of inertial sensors], Giroskopiya i navigatsiya [Gyroscopy and navigation], 2000, No. 1.
13. Lysenko I.E., Sinyutin S.A., Voronkov O.Yu. Razrabotka povedencheskoy modeli sensora
lineynogo uskoreniya s dvumya osyami chuvstvitel'nosti dlya modelirovaniya v srede Simulink
programmnogo paketa MatLab [Development of a behavioral model of a linear acceleration
sensor with two sensitivity axes for simulation in the Simulink environment of the MatLab
software package], Inzhenernyy vestnik Dona [Don's engineering Bulletin], 2014, No. 4.
Available at: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2014/2672.
14. Lysenko I.E. Modeling of the micromachined angular rate and linear acceleration sensors LLtype
with redirect of drive and sense axis, World Applied Sciences Journal, 2013, Vol. 27 (6),
pp. 759-762.
15. Lysenko I.E., Ezhova O.A. Kriterii ravenstva sobstvennykh chastot kolebaniy chuvstvitel'nykh
elementov mikromekhanicheskikh giroskopovakselerometrov [Criteria for equality of natural
frequencies of vibrations of sensitive elements of micromechanical gyroscopes and accelerometers],
Inzhenernyy vestnik Dona [Don's engineering Bulletin], 2014, No. 2. Available at:
ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2475.
16. Lysenko I.E. Modelirovanie dvukhosevogo mikromekhanicheskogo sensora uglovykh
skorostey i lineynykh uskoreniy LR-tipa [Modeling of a two-axis micromechanical sensor of
angular velocities and linear accelerations of the LR-type], Inzhenernyy vestnik Dona [Don's
engineering Bulletin], 2013, No. 1. Available at: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2013/1549.
17. Payal Verma, R. Gopal, Sandeep K. Arya. Behavioral Simulation of a Non-resonant MEMS
Gyro-accelerometer, International Journal of Computer & Organization Trends, February
2014, Vol. 5, pp. 23-25.
18. Petko Petkov, Tsonyo Slavov. Stochastic Modeling of MEMS Inertial Sensors, Cybernetics and
information technologies, January 2010, Vol. 10, No. 2, pp. 31-40.
19. Mehran Zareh, Sahel Soheili. A modified model reference adaptive control with application to
MEMS gyroscope, Journal of Mechanical Science and Technology, June 2011, Vol. 25 (8),
pp. 1-7.
20. Ruth Houlihan, Michael Kraft. Modelling squeeze film effects in a MEMS accelerometer with
a levitated proof mass, Journal of Micromechanics and Microengineering, March 2005,
Vol. 15, pp. 893-902.
Опубликован
2020-02-26
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ