Автоматизація проектування мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національній університет “Львівська політехніка”

УДК 519.711

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Автоматизація проектування мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості

05.13.12 - системи автоматизації проектувальних робіт

Головатий Андрій Ігорович

Львів - 2009

Дисертацією є рукопис автоматизація мікроелектромеханічний давач

Робота виконана на кафедрі “Системи автоматизованого проектування” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Лобур Михайло Васильович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри систем автоматизованого проектування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Івахів Орест Васильович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри приладів точної механіки

кандидат технічних наук, професор Крищук Володимир Миколайович, Запорізький національний технічний університет, завідувач кафедри конструювання та технології виробництва радіоапаратури

Захист відбудеться “ 12 ” листопада 2009 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.05 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул. С. Бандери, 12)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів, вул. Професорська, 1

Автореферат розісланий “ 10 ” жовтня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., проф. Р.А. Бунь

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В XXI столітті бурхливо розвиваються системи проектування пристроїв створених за різними фізичними принципами функціонування. При цьому використання групових технологій виготовлення елементів електроніки та інших не електронних елементів привело до створення мікроелектромеханічних систем (МЕМС). Одними з найбільш складних пристроїв МЕМС є давачі кутової швидкості. Ці пристрої виготовлені за технологією МЕМС появилися порівняно недавно і все більше використовуються в різних областях народного господарства, а особливо в автомобілебудуванні, авіабудуванні, військовій техніці, робототехніці, а також в пристроях побутової техніки (відеокамери, фотоапарати). Наукові школи по моделюванню і проектуванню давачів кутової швидкості особливо активно функціонують в промислово розвинутих країнах світу. На теперішній час ряд закордонних фірм, а саме: Epson, Analog Devices, Delco, Bosch, Samsung, Daimler Benz, General Motors, BEI Systron Donner, Silicon Sensing Systems та інші серійно випускають МЕМС давачі кутової швидкості низького класу точності.

Основною перешкодою, яка стримує більш широке використання МЕМС давачів кутової швидкості є їх низька точність. Підвищення точності дасть змогу використовувати їх в нових областях техніки, в першу чергу для забезпечення навігації роботів і безпілотних апаратів.

В Україні моделюванням та проектуванням МЕМС давачів кутової швидкості займається незначна кількість організацій і підприємств, тому вітчизняна промисловість в основному орієнтована на закордонну, а не на власну комплектацію. Очевидно проектування і особливо виготовлення вищеназваних давачів дасть змогу вітчизняній промисловості їх виробляти і зменшить залежність від закордонних постачальників.

Питанням проектування давачів кутової швидкості присвячено багато статей і патентів, але більшість з них не орієнтована на сучасні технології виготовлення і не в повній мірі відображають шляхи підвищення точності та достовірності отримуваної інформації, сумісного проектування мікромеханічного і мікроелектричного вузлів давача кутової швидкості.

Публікації про принципи підвищення точності проектування і моделювання носять поверхневий або неконкретний характер, що пов'язано з тим, що автори прагнуть захистити свої нововведення (“ноу-хау”), а також в ряді високорозвинутих країнах світу (США, Франція, Німеччина, Росія, Китай, Японія) дані пристрої є продуктом подвійного призначення.

Необхідно відмітити ряд відкритих робіт закордонних авторів, в яких розглянуто питання проектування, моделювання і виготовлення таких давачів, а саме: Geen J., Ward P., Clark W.A., Shkel A., Geiger W., Link T., Huikai Xie, Sitaraman V. Iyer, Farrokh Ayazi, Khalil Najafi.

Публікації українських науковців в більшості випадках присвячені загальній теорії проектування і моделювання класичних давачів кутової швидкості (гіроскопів) (Лазарєв Ю.Ф., Збруцький О.В., Агарєв В.А.).

Отже, автоматизація проектування мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо пов'язана з планами наукових досліджень, які виконуються за держбюджетною тематикою кафедри „Системи автоматизованого проектування” Національного університету „Львівська політехніка” за темою “Автоматизація проектування та моделювання мікроелектромеханічних систем", термін виконання з червня 2007 р. по грудень 2009 р. (№ держ. реєстр. 0107U006228).

В рамках цієї роботи автором розроблено нові математичні моделі, методи інтеграції проектування та вдосконалено існуючі електричні схеми спряження мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є автоматизація проектування МЕМС давачів кутової швидкості. Для досягнення зазначеної мети поставлено наступні задачі:

· проаналізувати існуючі типи та конструкції давачів кутової швидкості, технології виготовлення та програмне забезпечення для проектування і моделювання мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості для визначення основних напрямків їх проектування;

· розробити математичні моделі механічних складових та впливу температури і крутильних коливань на динамічні характеристики мікроелектромеханічного давача кутової швидкості з врахуванням особливостей автоматизованого проектування;

· проаналізувати та модифікувати існуючі схеми спряження мікромеханічного і мікроелектричного вузлів давача кутової швидкості;

· розробити інформаційне та лінгвістичне забезпечення для САПР мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості.

Об'єкт дослідження - процес проектування та моделювання мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості.

Предмет дослідження - математичні моделі, методи та схеми спряження для автоматизованого проектування мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості.

Методи дослідження. При розробленні математичних моделей механічних складових мікромеханічного та вдосконаленню електричної схеми спряження мікроелектромеханічного давача кутової швидкості використано методи і апарат теоретичної механіки, опору матеріалів, теорії коливань, електроніки, електротехніки, цифрової обробки інформації, математичного аналізу і комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі виконаних досліджень розв'язано наукову задачу розроблення математичних моделей для аналізу мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості, що забезпечило підвищення ефективності проектування. При цьому отримано такі наукові результати:

· вперше розроблено алгоритмічну математичну модель коливань робочого органу мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для компонентного рівня проектування, що дало змогу дослідити вплив окремих параметрів робочого органа на технічні характеристики мікроелектромеханічного давача кутової швидкості, з метою підвищення ефективності проектування;

· вперше розроблено аналітичну математичну модель системи пружного підвісу мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для компонентного рівня проектування, що дало змогу дослідити вплив геометричних параметрів на його чутливість і зменшити масу та габарити системи загалом;

· вперше побудовано алгоритмічну математичну модель впливу паразитних коливань на роботоздатність мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для компонентного рівня проектування, що дало змогу врахувати їх при оцінюванні значень відповідних конструктивних параметрів давача;

· вперше побудовано аналітичну математичну модель впливу температури на динамічні характеристики мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для компонентного рівня проектування, що дало змогу змоделювати її вплив на робочі резонансні частоти мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для різних напівпровідникових матеріалів;

· вдосконалено методи обміну даними між механічною і електричною системами проектування та моделювання мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості, що збільшило швидкість обміну даних і точність їх представлення.

Практичне значення одержаних результатів. Застосування розроблених математичних моделей дало наступні практичні результати:

· вперше розроблено VHDL-AMS моделі мікроелектромеханічного давача кутової швидкості камертонної та карданної конструкцій для схемотехнічного рівня автоматизованого проектування;

· розроблено та реалізовано макропараметричну модель обміну параметричними даними між гетерогенними САПР для мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості у вигляді макропараметричного транслятора макроданих.

Теоретичні та практичні результати дисертаційної роботи впроваджені у навчальний процес Національного університету “Львівська політехніка” кафедри “Системи автоматизованого проектування” та у Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка національної академії наук України, що підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати теоретичних і практичних досліджень, що викладені в дисертації, отримані автором особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторостві, автору належать: розроблення VHDL-AMS моделі мікроелектромеханічного давача кутової швидкості камертонної конструкції [4, 10], розроблення VHDL-AMS моделі мікроелектромеханічного давача карданнної конструкції [11], розроблення алгоритму проектування робочих органів мікроелектромеханіного давача кутової швидкості [12], розроблення математичної моделі для схемотехнічного рівня проектування і моделювання впливу паразитних крутильних коливань на конструктивні параметри мікроелектромеханічного давача [5, 8], моделювання вихідних механічних параметрів ємнісного мікроакселерометра [16], аналіз схем спряження мікроелектромеханічних давачів [17].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися і обговорювалися на: Міжнар. наук.-техн. конф. “Досвід розробки і застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці” CADSM (Львів, 2007); Міжнар. наук.-техн. конф. “Перспективні технології та методи проектування МЕМС” MEMSTECH (Львів - Поляна, 2006, 2007, 2008, 2009); Міжнар. наук.-техн. українсько-польській конф. “САПР у проектуванні машин. Питання впровадження та навчання” CADMD (Львів, 2006, 2008).

Результати також неодноразово доповідались на наукових семінарах кафедри “Системи автоматизованого проектування” Національного університету “Львівська політехніка” (2006-2009 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені у 17 наукових публікаціях, з них 7 статтей в наукових фахових виданнях, 10 публікацій в матеріалах міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота включає вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел та додатки. Загальний обсяг дисертації складає 195 сторінок, в тому числі 146 сторінок основного тексту, 68 рисунків, 7 таблиць та список використаних джерел з 138 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і завдання роботи, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію, публікації та особистий внесок дисертанта.

У першому розділі проведено огляд і аналіз різних типів давачів кутової швидкості, їх класифікацію за фізичними принципами дії і областями застосування, наведено дані про їх переваги і недоліки, зроблено аналіз сучасного стану робіт з проектування, моделювання і технологій виготовлення інтегральних мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості.

Здійснений аналіз різних типів давачів кутової швидкості дає змогу їх класифікувати за фізичним принципом дії на: класичні (гіроскопи), лазерні кільцеві і оптоволоконні та вібраційні, а також за областями використання: прилади інерційного, тактичного і швидкісного класу.

Перевагами класичних механічних гіроскопів є висока точність, а основними їх недоліками є високе співвідношення ціна-точність, великі розміри і маса, велике енергоспоживання, досить тривалий час підготовки до роботи, малий ресурс роботи, чутливість до механічних ударів і вібрацій, втрата точності з часом.

Недоліками кільцевих лазерних давачів є нелінійність вихідного сигналу при малій кутовій швидкості, дрейф вихідного сигналу із-за газових потоків, зміна довжини оптичного шляху під впливом теплового розширення, тиску і механічних деформацій. Для виготовлення кільцевих лазерних давачів необхідні прецизійні дзеркальні технології, що впливають на його ціну, яка є основним обмежуючим фактором їх застосування.

На сьогодні МЕМС давачі кутової швидкості порівняно з іншими типами є найменш точними. Всі МЕМС давачі кутової швидкості за своїм принципом дії є вібраційними. Дешевизна мікроелектромеханічних давачів відкриває можливість їх використання в нових областях: автомобільна промисловість, робототехніка, побутова електроніка та багато інших.

МЕМС давачі кутової швидкості можна розділити за конструкцією на балкові, камертонні, з диском-резонатором у вигляді обруча або восьмикутної зірки і давачі з розподіленою масою.

Провівши аналіз конструкцій МЕМС давачів кутової швидкості можна стверджувати, що найбільше використання знайшли мікроелектромеханічні давачі кутової швидкості камертонного типу. Такі давачі виготовляються за технологією поверхневої мікрообробки, що дає змогу інтегрувати на одному напівпровідниковому кристалі як давач, так і електричні схеми спряження.

За здійсненим оглядом технологій виготовлення МЕМС давачів кутової швидкості визначено оптимальну технологію, а саме КМОН МЕМС, оскільки ця технологія має ряд переваг над іншими: масовість, сумісність з виробництвом інтегральних схем, дешевизна.

Аналіз існуючого програмного забезпечення для проектування і моделювання МЕМС давачів дозволив зробити висновок про неможливість ефективного їх використання. Основними недоліками цих програмних систем є специфічні вимоги до апаратної платформи, невідомі математичні моделі для моделювання фізичних процесів. Все це не дає можливості провести аналіз точності отриманих даних, а також проаналізувати похибки розрахунків тощо.

Тому розроблення математичних моделей мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для автоматизованого проектування є актуальною.

В другому розділі розроблено математичну модель компонентного рівня проектування для визначення переміщень, амплітуди і швидкості коливань робочого органа мікроелектромеханічного давача кутової швидкості, що дає змогу дослідити вплив окремих конструктивних параметрів робочого органа на технічні характеристики давача.

Для побудови математичної моделі коливань робочого органа (вібруючої маси) мікроелектромеханічного давача кутової швидкості складено систему диференціальних рівнянь:

(1)

де m - маса робочого органа; cx, cy - коефіцієнти жорсткості та kx, ky - коефіцієнти затухань вздовж осей x і y; ? - кутова швидкість; F - електростатична збуджуюча сила, яка визначається за формулою: , де n - кількість гребінчатих електродів; h - висота електрода; V - напруга живлення; еr - діелектрична проникність середовища між пластинами конденсатора; е0 - діелектрична проникність вакууму; g - щілина між електродами; щ - кутова частота вимушених коливань.

Розв'язавши аналітично систему рівнянь (1) отримано вирази для обчислення амплітуд горизонтальних і вертикальних коливань робочого органа:

, (2)

де F - електростатична збуджуюча сила; cx, kx - коефіцієнти жорсткості і затухання вздовж осі x; m - маса робочого органа; щ - кутова частота вимушених коливань.

, (3)

де г - коефіцієнт затухань; - кутова частота власних коливань; щ - кутова частота вимушених коливань; ? - кутова швидкість вимірювання.

Результатами розв'язку системи рівнянь (1) є горизонтальні (робочі) і вертикальні (вимірювальні) коливання робочого органа.

Провівши розрахунки вихідних параметрів давача при різних конструктивних параметрах його робочого органа (щілина між гребенями, силі збудження на одну пару гребенів, напрузі живлення, площі поверхні, відстані між пластинами конденсатора) встановлено, що збільшення кількості рядів гребенів призводить до прямопропорційного зростання сили збудження і, як наслідок, амплітуди та швидкості горизонтальних коливань. Разом з цим зростає маса та площа робочого органа. З аналізу розв'язків системи рівнянь (1) встановлено, що зростання швидкості і маси робочого органа призводять до потрійного зростання амплітуди вертикальних коливань. Оскільки коливання резонансні cx=cy=щ2m, то чутливість давача - реакція на збудження Щ, залежить від площі та величини вертикальних коливань, тому збільшення кількості гребенів віброприводу в 10 разів призводить до збільшення чутливості давача в 1000 разів. Слід відмітити, що крім цього зростають і розміри робочого органа МЕМС давача кутової швидкості.

В дисертаційній роботі розроблено аналітичну математичну модель системи пружного підвісу для компонентного рівня проектування. При побудові математичної моделі давач кутової швидкості розглянуто, як одномасний пружинний осцилятор з двома ступенями вільності, оскільки давач можна подати, як коливальну систему утворену підвішеним робочим органом на пружних торсіонах, що має змогу рухатися тільки по двох напрямах.

Використовуючи вирази з теорії коливань для обчислення частот, коефіцієнтів пружності одномасного пружного осцилятора і опору матеріалів для обчислення допустимих напружень пружного підвісу одномасного осцилятора отримано вирази для обчислення товщини і мінімальної довжини пружного елементу підвісу мікроелектромеханічного давача, що задовольняють допустимим умовам міцності. Отже, товщина пружного елемента підвісу:

, (4)

де m - робоча маса осцилятора; Е - модуль пружності матеріалу підвісу; l - робоча довжина підвісу; f0 - частота власних коливань осцилятора.

При цьому мінімальна довжина пружного елемента підвісу:

, (5)

де Ax - амплітуда горизонтальних коливань робочого органа; f0 - частота власних коливань осцилятора; m - робоча маса осцилятора; [у-1] - допустиме напруження.

В дисертаційній роботі вперше розроблено математичну модель компонентного рівня проектування, що дає змогу провести моделювання впливу температури на динамічні характеристики давача кутової швидкості.

При побудові математичної моделі визначено температурну зміну коефіцієнта жорсткості пружного підвісу:

, (6)

де б - коефіцієнт лінійного теплового розширення; бE - температурний коефіцієнт модуля Юнга; l - довжина і J - момент інерції поперечного перерізу пружного елемента підвісу; ДТ - зміна температури.

Для аналізу зміни робочих резонансних частот давача від температури отримано вираз:

, (7)

де бщ - тепловий коефіцієнт резонансної кутової частоти давача кутової швидкості.

На основі побудованої математичної моделі проведено моделювання впливу температури на резонансну частоту давача для різних напівпровідникових матеріалів. З отриманих результатів випливає, що збільшення температури веде до зменшення резонансної робочої частоти давача, зменшення механічного підсилення сигналу, що призводить до падіння чутливості приладу і появі похибок вимірювання. Конструкція з карбіду кремнію є найбільш чутливою до перепаду температури, а - з германію найменш. Для забезпечення коливань робочих органів давача в резонансі потрібно змінювати частоти збудження електростатичних віброприводів-актюаторів за допомогою електричних схем термокомпенсації.

Вперше розроблено алгоритмічну математичну модель впливу паразитних коливань на роботоздатність давача кутової швидкості для компонентного рівня проектування. Такі коливання можуть спричинити биття конструктивних елементів в щілинах електростатичного віброприводу та ємнісного давача приладу.

Для побудови математичної моделі складено систему диференціальних рівнянь, яка описує рух одного (лінійні переміщення та обертання) робочого органа відносно осей X, Y, Z:

 (8)

де m - рухома маса давача; c - жорсткість пружного підвісу; k - коефіцієнт дисипації енергії; F - сила збудження коливань; щ - кутова частота коливань (; де n - частота збудження); x, y, z - осі; ? - кутова швидкість обертання; J - момент інерції рухомої маси; ш - кут повертання рухомої маси відносно відповідної осі; 2m•dx/dt•? - Коріолісова сила інерції; та - конструктивні параметри підвісу.

Моменти від дії сил ексцентриситету маси визначаємо за формулами:

; ; ,

де e - ексцентриситет маси.

Побудована модель дає змогу розрахувати величини паразитних крутильних коливань відносно відповідних осей (їх лінійні складові), а саме -амплітуду биття в щілині приводу:

, (9)

а також, амплітуду биття між обкладками конденсатора:

. (10)

З аналізу виразів (9) та (10) випливає, що значення паразитних крутильних коливань відносно відповідних осей, а саме - їх лінійні складові необхідно враховувати при визначенні значень відповідних конструктивних параметрів мікроелектромеханічного давача. Результати моделювання впливу паразитних коливань.

В третьому розділі здійснено класифікацію електричних схем спряження мікромеханічного і мікроелектричного вузлів, методів вимірювання і управління мікроелектромеханічного давача, вдосконалено електричну схему спряження давача кутової швидкості для схемотехнічного рівня проектування, яка відрізняється від існуючих меншим рівнем шумів, мінімізованим зарядовим ефектом.

З проведених досліджень виявлено основні фактори, що впливають на технічні характеристики мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості:

шуми (електронний від інтерфейсних схем, термомеханічний Броунівський шум по причині розсіювання енергії при демпфуванні механічної структури, шум дискретизації при аналого-цифровому перетворенні); паразитні ємності та заряди накопичені на чутливих вузлах схем; масштабний фактор, який визначається технологією виготовлення.

Для вдосконалення існуючих схем ємнісного вимірювання з малим рівнем шумів в розділі побудовано шумову модель вимірювання ємності в діапазоні фемтофарад, що дає змогу оптимізувати шумові характеристики. Для забезпечення високої лінійності і добротності перетворювача у вакуумі, та високої роздільної здатності на виході досліджено системи із зворотнім зв'язком управління. Виявлено, що максимальний динамічний діапазон КМОН МЕМС давача біля 60 дБ. Покращення лінійності можливе з використанням систем зі зворотнім зв'язком, а для зменшення Броунівського шуму КМОН МЕМС давача необхідна добротність перетворювача більше 1000. Також система зі зворотнім зв'язком може функціонувати як аналого-цифровий перетворювач для отримання цифрового сигналу на виході.

Провівши класифікацію можна виділити три основні схемні архітектури для вимірювання ємності: постійного вимірювання напруги модуляції/демодуляції; постійного вимірювання струму; вимірювання заряду з перемиканням конденсаторів.

В дисертаційній роботі запропоновано використати чоперну архітектуру з оптимізацією шумів, що базується на ємнісному підборі для досягнення ємнісної чутливості з малими шумами. Тривале в часі вимірювання напруги, що використовує чоперну стабілізацію, має кращі шумові характеристики, ніж вимірювання заряду на коденсаторних перемикачах. В архітектурі використовується метод з періодичним скиданням чутливих вузлів для компенсації заряду, що базується на диференційному підсилювачі. Шумові характеристики залежать від розмірів транзисторів, паразитних ємностей внутрішніх з'єднань.

В мікроелектромеханічних інерційних давачах електронний шум домінує. Щоб не послабити корисний сигнал з давача інтерфейсна схема повинна мати співрозмірний вхідний імпеданс. Це можливо з біполярним площиними транзисторами і з польовими транзисторами, такими як канальні польові уніполярні МОН-транзистори (КПУМОН-транзистори).

В КМОН схемах флікер-шум і тепловий шум є основними. Електронний шум спричиняють: термальний шум і шум вхідного КПУMOН-транзистора, діод, шум модуляційного сигналу, шум від інших частин схеми. При диференційній топології сенсорів модуляційний шум компенсується. Тепловий шум і флікер-шум КПУМОН-транзистора пропорційний ширині каналу. Для малих МОН - виробів флікер-шум домінує в широкому частотному діапазоні. Для отримання малих шумів в звичайних схемах використовують великі транзистори. Це не відноситься до ємнісних давачів. Коли ширину каналу і площу КПУМОН-транзистора зробити великою, абсолютні значення термального і флікер-шуму зменшуються, але одночасно зростає вхідна ємність, що зменшує чутливість ємнісного давача. Оптимальний шум можна досягти при ємності затвору транзистора співрозмірного з ємністю давача. Інший шлях зменшити шум - це модуляція сигналу більшою частотою, але на це потрібно більше енергії. Для зменшення шуму запропоновано збільшити ємність давачів, зменшення внутрішньої ємності з'єднань.

Провівши аналіз методів реєстрації сигналу з давача виявлено, що вони базуються на вимірюванні заряду, напруги або струму, а також що всі три методи мають різні шумові характеристики. Вимірювання можливе інтегруванням заряду конденсаторними комутаторами; постійним вимірюванням струму з трансімпедансним підсилювачем, або постійним вимірюванням напруги. Найменші шумові характеристики має метод постійного вимірювання напруги.

Для зменшення вищенаведених шумів запропоновано низько-шумову електричну схему вимірювання малих ємностей МЕМС давача з чоперною стабілізацією.

В запропонованій схемі використано метод неперервного вимірювання напруги для зменшення загального шуму, чоперну стабілізацію для запобігання низькочастотному шумові, модульовані сигнали з високостабільним постійним джерелом живлення для зменшення модуляційних шумів. Сенсорне зміщення і схемне зміщення взаємно компенсуються завдяки диференційному підсилювачу. Зарядовий ефект зменшується методом переключення зміщення, використовуючи скидання. Вхідний сигнал, що проходить від сенсора на вихід є повністю диференційним. Чоперна стабілізація забезпечується парою диференційних прямокутних модульованих сигналів, що генеруються MOH-перемикачами з використанням чистої еталонної напруги. Зміщення постійним струмом на вхідних сенсорних вузлах досягається включенням МОН-перемикачів кожні 16 циклів для скидання вхідних вузлів. Періодичне знімання заряду зменшує зарядовий ефект.

У четвертому розділі здійснено аналіз існуючих методів стандартизації обміну даними між різними системами проектування та моделювання МЕМС і запропоновано нову методологію представлення цих даних засновану на мові XML. Наведено приклади опису структури даних щодо МЕМС цією мовою.

У сучасних технологіях складові МЕМС, як і інших вбудованих систем виготовляются за різними технологіями. Під час проектування таких систем, окрім проектування електричної складової необхідно проектувати і механічну складову, а також здійснювати всестороннє моделювання їхньої поведінки. При цьому більшість функціональних елементів можна проектувати в географічно відокремлених інженерних колективах і, можливо, виготовляти на різних підприємствах. У зв'язку з цим виникає задача інтегрування процесу проектування вищеназваних елементів. Отже, система інтегрування повинна:

· передавати не лише оператори перегляду, але і функції моделювання, щоб усі учасники процесу створення виробу могли модифіковувати дані виробу;

· розмір даних, які передаються між системами, бажано зменшити до необхідного мінімуму, тому що канали передачі і досі залишаються вузькими місцями телекомунікаційних систем;

· користувачі мають використовувати САПР та інші системи, з якими вони знайомі.

Слід зауважити, що не всі САПР можуть бути інтегровані у розроблювану інтегровану систему. Тому сформульовано два головних критерії відбору САПР для нашої реалізації: система повинна надавати можливості розробки програмних модулів; кожна операція, виконана при створенні виробу, повинна відслідковуватися.

Щодо першого критерію, то більшість новітніх САПР підтримують її. Звичайно існує два шляхи для програмування САПР: використовуючи скриптову мову, або використовуючи програмний інтерфейс API. Перший варіант розуміє скриптову мову як інтерпретатор. Помилки у програмах написаних на цій мові визначаються у процесі їхнього виконання. У другому варіанті програми транслюються в машинні інструкції. Перевагою другого варіанту є більша швидкість виконання і підтримка комунікаційних бібліотек.

Для розв'язання вищенаведених проблем у дисертаційній роботі запропоновано макропараметричний метод. За допомогою цього методу здійснюється обмін параметричною інформацією моделі САПР у вигляді масиву команд конструктора між гетерогенними САПР. У роботі запропоновано, відштовхуючись від макропареметричної методики, метод обміну, який використовує технологію розширюваної мови розмітки (XML) для вираження множини стандартних конструкторських команд видобутих із моделі САПР.

Запропонований метод заснований на передачі команд, через це кількість даних, що передаються, значно зменшується. Моделі можуть створюватися і модифікуватися кількома інженерами одночасно. Підхід ґрунтується на механізмі трансляції між системними операціями моделювання (СОМ) та командами нейтрального формату (КНФ). Всі операції, які виконував інженер в одній географічно віддаленій проектній команді, будуть перетворені у КНФ та передані у всі вузли мережі, в яких працюють розробники. Після отримання в інших кінцях мережі команд, вони будуть перетворені у СОМ відповідної САПР. Така система будується на основі центрального сервера і кількох програмних пакетів, які залежать від конкретної САПР. Механізм і структуру інтеграційного підходу, а також програмного забезпечення на стороні клієнта, розробленого для запропонованого методу інтеграції.

Для підтримки безпеки, пропонується шифрувати і стискати КНФ перед передачею. Порівнюючи з іншими методами підтримки спільної розробки проектів запропонований метод інтеграції між гетерогенними САПР має наступні переваги у порівнянні з існуючими:

· новий метод дає змогу створювати інтеграційні платформи різного рівня - починаючи Intranet-системами і закінчуючи географічно віддаленими системами;

· метод дає змогу інтегрувати гетерогенні САПР, це означає, що користувачі і далі працюватимуть із знайомими їм системами. Цю перевагу не можуть надати гомогенні інтеграційні середовища;

· крім візуалізації моделей користувачі можуть скористатися оперативним маніпулюванням моделями, що особливо потрібно для користувачів з промисловості;

· створення і модифікація моделей може здійснюватися одночасно кількома користувачами. Передаються лише команди нейтрального формату, а не моделі, тому об'єм даних є малим, що дозволяє досягнути миттєвої синхронізації навіть при звичайних пропускних здатностях телекомунікаційних мереж.

Основні результати та висновки

У дисертаційній роботі розв'язано важливу наукову задачу - розроблення математичних моделей механічних складових та впливу температури і крутильних коливань на динамічні характеристики мікроелектромеханічного давача кутової швидкості, вдосконалено електричну схему спряження мікромеханічного і мікроелектричного вузлів давача кутової швидкості, що дає змогу використовувати їх на різних рівнях проектування. При цьому отримано наступні результати:

1. Розроблено алгоритмічну математичну модель коливань робочого органу мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для схемотехнічного рівня проектування, що дало змогу дослідити вплив окремих параметрів робочого органа на технічні характеристики мікроелектромеханічного давача кутової швидкості.

2. Розроблено аналітичну математичну модель системи пружного підвісу мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для схемотехнічного рівня проектування, що дало змогу дослідити вплив геометричних параметрів на його чутливість і зменшити масу та габарити системи загалом.

3. Побудовано алгоритмічну математичну модель впливу паразитних коливань на роботоздатність мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для схемотехнічного рівня проектування, що дало змогу врахувати їх при оцінюванні значень відповідних конструктивних параметрів давача.

4. Побудовано аналітичну математичну модель впливу температури на динамічні характеристики мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для схемотехнічного рівня проектування, що дало змогу змоделювати її вплив на робочі резонансні частоти мікроелектромеханічного давача кутової швидкості для різних напівпровідникових матеріалів.

5. Розроблено VHDL-AMS моделі мікроелектромеханічного давача кутової швидкості камертонної і карданної конструкцій для схемотехнічного рівня проектування, що дало змогу підвищити ефективність проектування.

6. Розроблено методи стандартизації обміну даними між різними системами проектування та моделювання МЕМС давачів кутової швидкості і обгрунтовано нову методологію стандартного представлення цих даних, засновану на мові XML.

7. Вдосконалено методи обміну даними між механічною і електричною системами проектування та моделювання мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості, що збільшило швидкість обміну даних і точність їх представлення.

8. Запропоновано та реалізовано макропараметричну модель обміну параметричними даними між гетерогенними САПР у вигляді макропараметричного транслятора макроданих.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Головатий А. Моделювання впливу коливань кутової швидкості і температури на динамічні характеристики мікромеханічного гіроскопа камертонного типу / А. Головатий // Вісник Національного університету “Львівська політехніка” : Комп'ютерні науки та інформаційні технології. - Львів, 2008. - № 629. - С. 58-65.

2. Головатий А. Розрахунок та конструювання пружних систем мікроелектромеханічних (МЕМС) гіроскопів / А. Головатий // Науковий журнал “Вісник Тернопільського державного технічного університету”. - Том 13. - № 4. - Тернопіль, 2008. - С. 24-30.

3. Головатий А. І. Визначення оптимальних конструктивних параметрів мікроелектромеханічної системи гіроскопа залежно від його технічних характеристик / А. І. Головатий, М. В. Лобур, Я. М. Новіцький // Вісник Національного університету “Львівська політехніка” : Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. - Львів, 2008. - № 613. - С. 93-100.

4. Лобур М. В. Розробка моделі для автоматизованого проектування МЕМС давача кутової швидкості засобами VHDL-AMS / М. В. Лобур, А. І. Головатий // Збірник наукових праць інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України ім. Г. Є. Пухова. - Київ, 2008. - Вип. 46. - С. -122.

5. Головатий А. І. Визначення впливу паразитних коливань на конструктивні параметри МЕМС гіроскопів / А. І. Головатий, Я. М. Новіцький // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”: Динаміка, міцність та проектування машин і приладів. - Львів, 2008. - № 614. - С. 68-76.

6. Головатий А. Розроблення VHDL-AMS моделі мікромеханічного z-осьового гіроскопа на карданному підвісі для схемотехнічного рівня проектування / А. Головатий // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”: Комп'ютерні науки та інформаційні технології.- Львів, 2008. - №616. - С. 54-60.

7. Головатий А. Розрахунок і конструювання робочих органів мікроелектромеханічних гіроскопів (давачів кутових швидкостей) / А. Головатий // Науковий журнал “Вісник Тернопільського державного технічного університету”. - Том 12. - № 4. - Тернопіль, 2007. - С. 20-26.

8. Holovatyy A. Determination of parasitic oscillations effect on constructive parameters of MEMS gyroscopes / A. Holovatyy, M. Lobur M., V. Teslyuk // Proc. of the XVI Ukrainian-Polish Conf. on “CAD in Machinery Design. Implementation and Educational Problems” (CADMD'2008). - Lviv, 2008. - P. 47-55.

9. Holovatyy A. Simulation of dynamic characteristics of micromechanical gyroscope with temperature effect / A. Holovatyy // Proc. of the XVI Ukrainian-Polish Conf. on “CAD in Machinery Design. Implementation and Educational Problems” (CADMD'2008). - Lviv, 2008. - P. 66-70.

10. Holovatyy A. VHDL-AMS model of MEMS tuning fork gyroscope for the schematic level of computer-aided design / A. Holovatyy, M. Lobur, V. Teslyuk // Proc. of the IVth Intern. Conf. of Young Scientists “Perspective Technologies and Methods in MEMS Design” (MEMSTECH'2008). - Lviv - Polyana, 2008. - P. 138-141.

11. Holovatyy A. Modeling and analysis of technical characteristics of micromechanical Z-axis gimbaled gyroscope using VHDL-AMS / A. Holovatyy, M. Lobur, S. Bobalo. // Proc. of the IVth Intern. Conf. of Young Scientists “Perspective Technologies and Methods in MEMS Design” (MEMSTECH'2008). - Lviv - Polyana, 2008. - P. 72-75.

12. Lobur M. Creation of design algorithm of working elements of micromechanical gyroscopes / M. Lobur, A. Holovatyy. // Proc. of the IVth Intern. Conf. of Young Scientists “Perspective Technologies and Methods in MEMS Design” (MEMSTECH'2008). - Lviv - Polyana, 2008. - P. 49-53.

13. Lobur M. Research of influence of materials properties on resonance frequencies of micromechanical tuning fork gyroscope / M. Lobur, A. Holovatyy // Proc. of the IIIrd Intern. Conf. of Young Scientists “Perspective Technologies and Methods in MEMS Design” (MEMSTECH'2007). - Lviv - Polyana, 2007. - P. 115-117.

14. Pereyma M. Approaches for power output increasing of the vibration-based energy harvesting device / M. Pereyma, V. Teslyuk, A. Holovatyy // Proc. of the IXth Intern. Conf. on The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics (CADSM'2007). - Lviv - Polyana, 2007. - P. -552.

15. Lobur M. Perspectives of using embedded systems of microelectronics and micromechanics in the applied tasks of moving objects navigation / M. Lobur, V. Antonyuk, A. Holovatyy, P. Rackul // Proc. of the IVth Intern. Conf. of Young Scientists. “Perspective Technologies and Methods in MEMS Design” (MEMSTECH'2006). - Lviv - Polyana, 2006. - P. 107-109.

16. Teslyuk V. Research of output mechanical parameters of the capacitive microaccelerometer construction / V.Teslyuk, R.Zaharyuk, A.Holovatyy, A.Romanyuk // Proc. of the XIV Ukrainian - Polish Conf. on "CAD in Machinery Design. Implementation and Educational Problems" - Polyana, Ukraine, 2006.

17. Lobur M. Overview and analysis of readout circuits for capacitive sensing in MEMS gyroscopes (MEMS angular velocity sensors) / M. Lobur, A. Holovatyy // Proc. of the Vth Intern. Conf. of Young Scientists “Perspective Technologies and Methods in MEMS Design” (MEMSTECH'2009). - Lviv - Polyana, 2009. - P. 161-163.

АнотаціЇ

Головатий А. І. Автоматизація проектування мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - системи автоматизації проектувальних робіт. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2009.

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню важливої наукової задачі - розробці математичного, інформаційного та лінгвістичного забезпечення для систем автоматизованого проектування мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості (МЕМС гіроскопів). В дисертації розроблено математичну модель коливань робочого органа давача кутової швидкості компонентного рівня проектування, що дало змогу дослідити вплив окремих параметрів робочого органа на технічні характеристики давача.

Розроблено математичну модель системи пружного підвісу давача для компонентного рівня проектування, що дала змогу дослідити вплив геометричних параметрів на його чутливість і зменшити масу та габарити системи загалом. Розроблено математичну модель впливу температури на динамічні характеристики давача для компонентного рівня проектування, що дало змогу змоделювати її вплив на робочі резонансні частоти давача для різних напівпровідникових матеріалів.

Розроблено математичну модель впливу паразитних крутильних коливань робочого органа на роботоздатність давача для компонентного рівня проектування, що дало змогу їх врахувати при оцінюванні значень відповідних конструктивних параметрів давача.

Розроблено VHDL-AMS моделі мікроелектромеханічного давача кутової швидкості камертонної та карданної конструкцій для схемотехнічного рівня автоматизованого проектування, що дало змогу підвищити ефективність проектування. Вдосконалено електричну схему спряження МЕМС давача для схемотехнічного рівня проектування, що дало змогу зменшити рівень шумів і мінімізувати зарядовий ефект.

Розроблено інформаційне та лінгвістичне забезпечення наскрізного паралельного проектування МЕМС давачів кутової швидкості, що дало змогу вдосконалити бібліотеку математичних моделей та розширити функціональні можливості БД САПР за допомогою використання XML-формату.

Ключові слова: мікроелектромеханічний давач кутової швидкості, гіроскоп, математична модель, електрична схема спряження МЕМС давача, САПР мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості.

Головатый А. И. Автоматизация проектирования микроэлектромеханических датчиков угловой скорости. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 - системы автоматизации проектных работ. - Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2009.

Диссертационная работа посвящена решению важной научной задачи - разработке математического, информационного и лингвистического обеспечения для систем автоматизированного проектирования микроэлектромеханических датчиков угловой скорости (МЭМС гироскопов). В диссертации разработано математическую модель колебаний рабочего органа датчика компонентного уровня проектирования, которая дала возможность исследовать влияние отдельных параметров рабочего органа на технические характеристики датчика.

Разработано математическую модель системы упругого подвеса датчика для компонентного уровня проектирования, которая дала возможность исследовать влияние геометрических параметров на его чувствительность и уменьшить массу и габариты системы в целом. Разработано математическую модель влияния температуры на динамические характеристики датчика для компонентного уровня проектирования, что дало возможность смоделировать ее влияние на рабочие резонансные частоты датчика для разных полупроводниковых материалов.

Разработано математическую модель влияния паразитных крутильных колебаний рабочего органа на работоспособность датчика компонентного уровня проектирования, что дало возможность учитывать их при определении значений конструктивных параметров датчика. Разработано VHDL-AMS модели микроэлектромеханического датчика угловой скорости камертонной и карданной конструкций для схемотехнического уровня автоматизированного проектирования, что дало возможность увеличить эффективность проектирования.

Усовершенствовано электрическую схему сопряжения МЭМС датчика для схемотехнического уровня проектирования, що дало возможность уменшить уровень шумов и минимизировать зарядовый эффект. Разработано информационное и лингвистическое обеспечение сквозного параллельного проектирования МЭМС датчиков угловой скорости, что позволило усовершенствовать библиотеку математических моделей и расширить функциональные способности БД САПР благодаря использованию XML-формата.

Ключевые слова: микроэлектромеханический датчик угловой скорости, гироскоп, математическая модель, электрическая схема сопряжения МЭМС датчика, САПР микроэлектромеханических датчиков угловой скорости.

Holovatyy A. I. Computer-aided design of microelectromechanical angular velocity sensors. - Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of technical science by speciality 05.13.12 - computer-aided systems for design works. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2009.

The dissertation work is dedicated to the solution of the important scientific task - the development of mathematical, information and linguistic tools for the computer-aided design systems of microelectromechanical angular velocity sensors (gyroscopes). In the dissertation, the mathematical model of vibrations and for the calculation of the constructive parameters of the working element of the micromechanical angular velocity sensor for the component level design is proposed.

The created model allows to establish interdependence of the constructional elements and to calculate their optimal values depending on the required characteristics of the sensor. The mathematical model of the working organ suspension of the micromechanical angular velocity sensor, that is springs dimensions depending on the required gyroscope performance, such as the thickness and the width of the springs and their length, hence the overall dimensions of the sensor, is developed for the component level design. The developed model allows to create computer design subsystem of the spring elements of the micromechanical angular velocity sensor.

For computer-aided design of the micromechanical angular velocity tuning-fork sensor, the VHDL-AMS model is created. The model allows to simulate variations of Coriolis acceleration, displacements, capacity, and current depending on the applied angular velocity, and also to make the functioning analysis of the device on the schematic level of computer-aided design. The model for computer-aided design of micromechanical z-axis gimbal angular velocity sensor is created using VHDL-AMS.

The created model allows to simulate drive and sense vibrations of the sensor, variations of the currents, output voltage, sensitivity of the device depending on the applied angular velocity, and also to make the functioning analysis of this device on the schematic level of computer-aided design. The mathematical model is developed that allows to establish the values of parasitic oscillations, torsional oscillations about the appropriate axes and their linear parts have to be considered while design of the gyroscope gaps between comb drive fingers and the capacitor plates are calculated.

The simplified mathematical model with temperature effect on changes of the resonant frequencies of the spring suspension of the micromechanical angular velocity sensor for the component level design is created. It allows to simulate temperature effect on dynamic characteristics of the micromechanical sensor and to research the change of its sensitivity and accuracy.

The electrical circuit of the small-capacitive MEMS sensor is improved that allows to reduce a noise level and minimize a charging effect. The information and linguistic tools of the end-to-end parallel design of the MEMS gyroscope is developed, it allowed to improve a library of mathematical models and to expand functional capabilities of CAD database using XML-format.

Key words: microelectromechanical angular velocity sensor, gyroscope, mathematical model, CAD of microelectromechanical angular velocity sensors, electrical circuit of the small-capacitive MEMS sensor.

Размещено на Allbest.ru

...