МЭМС-гироскоп является важным классом инерциальных датчиков и используется в широком спектре потребительских устройств, включая смартфоны, камеры и навигационные системы. Обширно применение гироскопов в автомобильной промышленности и требует высокой надежности. Кроме того, промышленные и оборонные рынки требуют высокого уровня точности, что существенно влияет на конструктивные параметры гироскопа.

Проблемы проектирования МЭМС-гироскопов

CoventorMP может моделировать широкий спектр ключевых вопросов, связанных с успешным проектированием МЭМС гироскопа, от концептуального проектирования до оптимизации и повышения производительности. В том числе:

• Подтверждение концептуальных исследований для изучения различных конфигураций устройств, частот режимов и физики возбуждения/измерения (электростатического/пьезоэлектрического)
• Смягчение электростатического режима для настройки и согласования режимов движения и чувствительности
• Активация и гистерезис
• Чувствительность, пропускная способность, эффекты линейного ускорения
• Сдвиг по фазе на 90° из-за боковых углов несущих или гребенчатых сил поднятия
• Электростатической компенсации электродов для уменьшения сдвига по фазе
• Воздействие на конструкцию контактно-стопорного устройства для повышения ударной эффективности и надежности
• Газовое демпфирование, термоупругое демпфирование и потери в анкере для прогнозирования добротности
• Реакция на температуру, включая влияние деформации корпуса
• Паразитная емкость каналов, подложек и корпуса

Рисунок 1: Пример конструкции гироскопа МЭМС: 3-осевой гироскоп Мурата, смоделированный в модуле MEMS+ CoventorMP с совмещенными измеренными и смоделированными характеристиками для статической емкости и сдвига моды по оси Х с изменением угла наклона по оси Х [1,2]

Модель сокращенного порядка для совместного моделирования схем и систем

Схемы и системы вывода информации, построенные на основе гироскопа, имеют свои собственные циклы проектирования и обычно включают в себя модель гироскопа. Для решения этой задачи CoventorMP генерирует мульти-физические ROM (модели сокращенного порядка), которые фиксируют инерционные нелинейности гироскопа. Эти модели создаются автоматически и не требуют ручной сборки, которая может потребовать много итераций и недельных усилий по проектированию. Мультифизические ROM оптимизированы по скорости, что позволяет выполнять быстрые итерации проектирования. Модели CoventorMP предоставляются в формате VerilogA или как S-функция для работы с Mathworks SIMULINK.

Рисунок 2: Проектирование схем и систем МЭМС-гироскопа: Схема Cadence Virtuoso с ROM генерируется автоматически и экспортируется в формате Verilog-A. Порты на значке гироскопа представляют: измерительные электроды (вверху), управляющие электроды и электроды для управления угловыми скоростями (слева) и дополнительные емкостные выходы (справа). Верхний график моделирования переходных процессов показывает управляющий сигнал. На нижнем графике показана измеренная дифференциальная ёмкостная характеристика по оси Y и измерения по оси X [1,2]

Характеристика эффективности корпусирования

Важным фактором для любого МЭМС-устройства является термостойкость и устойчивость к деформации из его корпуса. Гироскопы - не исключение. CoventorMP позволяет легко связывать модели корпусов с моделью гироскопа. Затем может быть выполнен параметрический анализ для определения реакции гироскопа на температуру, что позволяет конструкторам создавать прогностические модели для смещения скорости. Производительность корпуса также включена в экспортируемые ROM.

Рисунок 3: (a) Копусирование MEMS+ модели гироскопа в МКЭ уровень корпуса и (b) Зависимости емкости от изменения температуры корпуса, измеренные и смоделированные характеристики [3]

CoventorMP позволяет проектировщику моделировать ключевые задачи характерные для МЭМС гироскопа, начиная от проектирования модовой частоты и заканчивая отлаживанием электростатического притяжения вызванной сдвигом фазы бокового угла, а также совместное моделирование с корпусом. Автоматический экспорт ROM позволяет пользователю мгновенно создавать портативные, быстрые модели для использования в средах проектирования цепей и систем, включая формат Verilog-A и Mathworks SIMULINK

Ссылки:

1. A Novel Model Order Reduction Approach for Generating Efficient Non-linear Verilog A models of MEMS Gyroscopess, ,Arnaud Parent1 , Arnaud Krust1 , Gunar Lorenz1 , and Tommi Piirainen2 1Coventor sarl., France and 2Murata Electronics Oy, Finland, IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems 2015.
2. Efficient nonlinear simulink models of MEMS gyroscopes generated with a novel model order reduction method, Arnaud Parent1 , Arnaud Krust1 , Gunar Lorenz1 , I. Favorskiy1 and Tommi Piirainen2 1Coventor sarl., France and 2Murata Electronics Oy, Finland, Transducers 2015.
3. Thermo-mechanical simulation of die-level packaged 3-axis MEMS gyroscope performance, Arnaud Parent1 , C. J. Welham1 , T. Piirainen2 Blomqvist2 Coventor sarl., France and 2Murata Electronics Oy, Finland, DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), 2017.

Источник: https://www.coventor.com/mems-solutions/gyros/