В развитии технологии МЭМС всегда приятно видеть новый технологический рубеж, границу известного и неизвестного. Талант и трудолюбие (наряду с изобретательностью) могут сдвинуть эту границу и обогатить всех нас. Мы уважаем усилия новаторов в области МЭМС, которые разработали оригинальные и творческие идеи, опираясь на знания и мудрость, и объединили эти знания в различные дисциплины. Мы считаем, что МЭМС гироскопы готовы продвинуться к следующему технологическому рубежу, решая проблемы температурной стабильности и более широкой полосы пропускания, которые ограничивают существующие конструкции гироскопов.

МЭМС Гироскоп - микромеханическое устройство, которое может измерять вращательное движение (угловую скорость вращения или угол ориентации). МЭМС Гироскопы являются небольшими, недорогими устройствами, которые используются во многих бытовых электронных приборах (такими, например, как сотовые телефоны и беспилотники). В гироскопах МЭМС обычно используется подвесная микроструктура, которая измеряет изменение сил Кориолиса (силы, которая действует на объект, когда масса вращается относительно системы отсчета). 

В традиционных вибрационных гироскопах Кориолиса используется амплитудная модуляция (AM), в которой намеренно используется несовпадение мод, управление фазой с обратной связью и автоматическая регулировка усиления посредством синхронного обнаружения. У AM-гироскопов есть компромисс между чувствительностью и полосой пропускания устройства. С практической точки зрения, AM-гироскопы имеют ошибку сдвига по фазе и ошибку синфазности. Утечки через подложку (потери в креплении МЭМС к подложке – якоре) и термоупругое рассеяние (TED) МЭМС гироскопа также могут ухудшить добротность и производительность устройства.

Гироскопы с частотной модуляцией (FM) представляют собой многообещающую новую архитектуру в проектировании гироскопов. Эти гироскопы измеряют разность частот вырожденного резонатора. Измеренная разность частот пропорциональна угловой скорости движения. Кроме того, скоростной интегрирующий гироскоп (RIG) использующий режим полного угла, может напрямую измерять угол поворота. Основной проблемой этих устройств является асимметрия частоты и несоответствие добротности, вызванное дефектами изготовления.

На 7-ом Международный симпозиум IEEE по инерциальным датчикам и системам (INERTIAL2020), профессором Такаширо Цукамото (Takashiro Tsukamoto) из Университета Тохоку (Tohoku University, Japan) был представлен доклад «Частотно- модулированный и интегрирующий гироскоп на основе разделения мод». Такой гироскоп характеризуется высокой температурной стабильностью. В лекции был рассмотрен гироскоп, использующий независимо управляемые в одном и том же резонаторе моды колебаний по и против часовой стрелки. В таком гироскопе рабочие характеристики ухудшаются по причине как наличия резонансной частоты, так и неудачного выбора добротности, вызванного несовершенством изготовления. Предложенный способ разделения мод может компенсировать ошибочные частоты и добротности путем регулировки фазы и амплитуды управляющего сигнала. Кроме того, автором были рассмотрены дополнительные методы, такие как виртуальное вращение, для дальнейшего устранения отрицательно влияющих факторов.

Недавно в CoventorMP^® был смоделирован RIG-резонатор, разработанный в Университете Тохоку1 . Ниже показана его модель.

В анимации продемонистрирован динамически сбалансированный внеплоскостной резонатор для вращающегося скоростного интегрирующего гироскопа. Предоставлено Университетом Тохоку, лабораторией профессора Танаки.

МЭМС скоростные интегрирующие гироскопы и гироскопы с частотной модуляцией выведут нас на новый технологический рубеж в архитектуре гироскопов. Мы с нетерпением ждем появления нового технологического рубежа в разработке МЭМС-гироскопов и инерциальных датчиков.

Ссылки:

1. Shihe Wang, Muhammad Salman Al Farisi, Takashiro Tsukamoto and Shuji Tanaka, “Dynamically Balanced Out-of-Plane Resonator for Roll/Pitch Rate Integrating Gyroscope,” in Proc. Sensor Symposium, Nov. 2019, 20am2-LN2-77.

Источник: https://www.coventor.com/blog/next-technology-frontier-mems-gyroscopes/

Опубликовано Hideyuki Maekoba 20 февраля 2020 года

Hideyuki Maekoba, MS, is a Senior Application Engineer at Coventor, where he supports customers in using the CoventorMP MEMS design product. Mr. Maekoba is an expert in the design and modeling of MEMS devices, including RF MEMS, MEMS resonators and MEMS Inertial Sensors. He received his Master’s Degree in Physics from the University of Tsukuba in Tsukuba, Ibaraki, Japan.