MEMS-технологии в навигации: новая жизнь механических датчиков

Современная тенденция к миниатюризации оборудования привела к безнадежному устареванию механических датчиков: уменьшение их размера в какой-то момент достигло инструментального предела. А ненадежность узла сопряжения с электроникой наложила ограничения на использование в сложных условиях: при тряске, вибрации, больших перегрузках.

Появление MEMS-технологий позволило устранить эти недостатки и получить устройства нового типа.

Изображение МЭМС-гироскопа. Источник: https://pypad.ru/

Что такое MEMS

MEMS (или МЭМС) — это микроэлектромеханическая система. Все ее компоненты — и электронные, и механические — изготавливаются из совместимых материалов и монтируются на одном чипе.

Чаще всего для изготовления МЭМС-устройств используется монокристаллический кремний, но также применяют материалы на основе соединений галлия и различные полимеры.

Пластины на основе кремния имеют высокие механические показатели и применяются для создания механических компонентов МЭМС и изолирующих слоев.

Материалы на основе галлия используются, в основном, для создания полупроводниковых подложек, электронных и оптоэлектронных компонентов МЭМС, а полимеры — для биосовместимых устройств.

Принцип работы МЭМС-датчика заключается в преобразовании воздействия внешних сил в электрический сигнал. За счет использования при изготовлении MEMS-устройств технологий, применяемых при создании чипов (литография, нанесение пленок и покрытий, травление), размер готового изделия может составлять доли миллиметра.

Структурная схема МЭМС. Источник: Гуртов В.А., Беляев М.А., Бакшеева А.Г. Микроэлектромеханические системы: учебное пособие. — Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2016

Применение MEMS-датчиков в навигации

В настоящее время разработан широкий спектр MEMS-устройств:

1. Акселерометры;
2. Датчики давления;
3. Гироскопы;
4. Исполнительные механизмы;
5. Датчики температуры;
6. Медицинские МЭМС;
7. Оптические МЭМС (активные зеркала и лазерные гироскопы).

В навигационных системах используются MEMS-акселерометры и MEMS-гироскопы.

Тенденция к увеличению числа транспортных средств и активное внедрение беспилотных технологий сделали обеспечение автономной и бесперебойной работы навигационного оборудования очень важной задачей.

Инерциальные навигационные системы прекрасно с ней справляются, а возможность сопряжения с другими способами навигации (спутник, радиоканал) позволяют нивелировать склонность ИНС к накоплению ошибки измерений и упростить первоначальную настройку.

MEMS-датчики — решение, благодаря которому навигационное оборудование стало компактным, надежным и недорогим.

Это особенно важно в условиях все более активного использования беспилотных летательных аппаратов не только военными, но и гражданскими службами: сбой в навигации может привести к аварии и угрозе жизни и здоровью людей.

Не последнюю роль MEMS-датчики играют в системах безопасности и помощи водителям: адаптивный круиз-контроль, функция автопилота, развертывание подушек безопасности, контроль курса и другие.

Достоинства MEMS

Поскольку МЭМС-датчики изготавливаются по тем же технологиям, что и интегральные схемы, они наследуют большинство их преимуществ.

1. Небольшие габариты и масса. Отдельные компоненты могут достигать размеров 1-100 мкм, а размер самого устройства — нескольких миллиметров.
2. Функциональность. МЭМС-устройства представляют из себя готовое решение для выполнения той или иной задачи.
3. Простота интеграции. Датчики без труда встраиваются в современные электронные системы.
4. Низкое электропотребление. МЭМС-акселерометры и МЭМС-гироскопы потребляют напряжение менее 100 мВт.
5. Высокая надежность и устойчивость к нагрузкам. За счет малых габаритов и массы механические компоненты МЭМС меньше подвержены влиянию вибраций и ударов.
6. Низкая стоимость. Интегральная технология позволяет выпускать устройства серийно, что снижает стоимость отдельных приборов, но сказывается это лишь при больших объемах производства.
7. Малая тепловая инерционность и устойчивость к температурному расширению. Могут использоваться как при низких, так и при высоких температурах, в условиях резких температурных перепадов.

Проиллюстрировать эти тезисы можно на примере МЭМС-гироскопов ЛК-МЭМС-ГИРО-100 и МЭМС-акселерометров AS-100, поставкой которых занимается наша компания:

• Габариты: 10х10х3,5 мм;
• Масса: 1 г;
• Энергопотребление: менее 70 мВт у гироскопа и менее 35 мВт у акселерометра;
• Ударопрочность и виброусточивость: 10000 g;
• Диапазон рабочих температур: от -40 до + 85 °С.

МЭМС-акселерометр AS-100 (слева) и МЭМС-гироскоп ЛК-МЭМС-ГИРО-100 (справа)

Оба устройства имеют 24-битный цифровой вывод данных и оснащены функцией автоматического выхода из спящего режима.

Представленные в нашем каталоге модели охватывают широкий диапазон измерений (от 300 до 4000 °/с у гироскопов и от ±5 до ±100 gу акселерометров), поэтому вы сможете подобрать устройство, которое наиболее близко подходит для ваших задач.

Более подробно ознакомиться с характеристиками устройств можно на нашем сайте.

Перспективы развития MEMS-технологий

Использование MEMS-технологий не ограничивается системами навигации: они используются и в быту, и в науке, и в медицине. МЭМС-устройства отличает функциональная законченность, что является логичным завершением эволюции технической системы.

В настоящее время процесс миниатюризации подошел к технологическому пределу, и следующим этапом станет переход на НЭМС — наноэлектромеханические системы, размер элементов которых будет сравним с атомом.

Подписывайтесь на канал, чтобы узнать больше о современных технологиях и разработках.