Разработка методики термотренировки ММГ при их изготовлении

Размещено на http://www.allbest.ru/

разработка методики термотренировки ммг при их изготовлении

О.Н. КУЛИКОВА, А.С. КОВАЛЕВ

ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург

Рассмотрена методика термотренировки ММГ. Приведены результаты термотренировки, использующейся при изготовлении микромеханических гироскопов. На основе экспериментальных исследований показана эффективность используемой методики калибровки.

Введение

За последние два десятилетия произошел резкий скачок в развитии микротехнологий. Если в конце 20 века область микросистемной техники только завоевывала свою нишу в промышленности, то сейчас она является одной из наиболее прибыльных и быстроразвивающихся областей.

Неоспоримыми преимуществами микросистемной техники являются дешевизна изделия, низкое энергопотребление, возможность массового производства таких изделий - до нескольких тысяч изделий в день и, безусловно, его маленькие габаритные размеры.

Если в сфере мобильных технологий применение низкоточных датчиков возможно, то в автомобилестроении или нефтегазовой области необходимо использование высокоточных гироскопов и акселерометров, устойчивых к вибрациям, ударам и температурным воздействиям. На современном рынке уже представлены разработки устройств, устойчивых к ударам и вибрационным воздействиям. Влияние же температуры на датчики и их показания все еще требует подробного исследования, соответственно, важной задачей является разработка методики термотренировки, обеспечивающей улучшение характеристик гироскопов до требуемых.

Исследование характеристик микромодуля при воздействии температуры

В ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» была собрана опытная партия микромодулей (ММ), состоящих из микромеханического чувствительного элемента (МЭМС ЧЭ), ИССН (ASIC) и металлокерамического корпуса (LCC 36), соединенных между собой проволочными соединениями. Чувствительный элемент и ИССН посажены в корпус, крышка герметично припаяна к корпусу. На рисунке 1 представлен микромодуль без крышки.

Рис. 1. Вид микромодуля без крышки

Требования к методике термоциклирования и методике испытаний

Условия массового производства требуют эффективных и рациональных методик термотренировок, с помощью которых выявляются гироскопы, подходящие для различных задач.

Термотренировка является завершающим этапом изготовления ММ, призванным снизить влияние температурных напряжений на показания датчика. Термотренировка позволяет обнаружить как проблемы в прошлом в процессе изготовления, так и в будущем во время эксплуатации при различных температурах. Термотренировка предназначена для подготовки микромодулей к работе в условиях заданного перепада температур.

Температурные испытания - это этап испытаний, основной задачей которого является подтверждение сохранения заданных характеристик датчиков в установленных пределах в заданном диапазоне воздействующих температур.

Для определения эффективности разрабатываемой методики необходимо провести исследования по влиянию термоциклов на показания датчиков.

Основными задачами исследований были:

1) определение количества термоциклов для обеспечения заданной повторяемости характеристик ММ;

2) определение зависимости влияния температуры на показания датчиков;

3) определение повторяемости температурных зависимостей от образца к образцу;

4) определение температурного диапазона, в котором выполняются заданные требования по повторяемости.

Выходной сигнал микромеханического датчика можно представить в упрощенной форме как:

микромодуль термоциклирование температура датчик

Y=Y0(T)+w·K(T)+Дш(T), (1)

где Y0 - смещение нуля [°/c], K - масштабный коэффициент, Дш - шумовая составляющая, w - входное воздействие [°/c].

Основные характеристики при изучении показаний микромеханического датчика - смещение нуля и масштабный коэффициент. Они являются наиболее важными при программной коррекции и дальнейшей эксплуатации.

Также при исследовании вышеуказанных задач изучались:

- уровень шума при различных температурах Дш.

Шум - это составляющая в выходном сигнале, которая является следствием внешних и внутренних помех. Шумовая составляющая Дa (см. формулу 1) является случайной величиной и может оцениваться разными способами. В рассматриваемых исследованиях уровень шума оценивался по среднеквадратическому отклонению показаний датчика. Зашумленность сигнала мешает получению точных показаний прибора, поэтому необходимо определить температуры, при которых плотность мощности шума не превышает требуемого уровня;

- стойкость при перепадах температуры.

В силу своих характеристик микромеханические гироскопы используются в условиях внешней среды с перепадами температуры. Их работа зависит от изменения вышеуказанных характеристик. Стойкость оценивалась путем изучения и анализа выхода значений характеристик датчика за допустимые пределы при изменении температуры;

- повторяемость показаний в течение нескольких термоциклов.

Повторяемость показаний важна как для термокалибровки датчика, так и для его использования потребителем. Для возможности калибровки датчика необходимо узнать, как он ведет себя при одинаковом многократном воздействии. Устранение температурных погрешностей в показаниях производится программно. Допустимый предел для повторяемости не хуже 0,5°/c.

Термотренировка проводилась в температурной камере фирмы Thermotron с заданием температурных режимов согласно условиям эксплуатации датчиков. Минимальная температура -40 °C, максимальная температура +85 °C. Температурный профиль показан на рисунке 2.

Рис. 2 Температурный режим для одного цикла

Предварительные результаты апробации методики

Объектом исследований и отработки методики термотренировки стала партия ММ, изготовленных в количестве 30 штук. Для каждого датчик была проведена термотренировка, состоящая из 20 термоциклов.

Результаты испытаний позволили выявить следующие эффекты, требующие изучения причин и отработки технологий изготовления датчиков:

1) монотонное изменение показаний датчиков при термотренировке.

Уже после 6 цикла наблюдается повторяемость характеристик ММ. Типовой график выходного сигнала, подтверждающий это утверждение, изображен на рисунке 3. 1, 2, 3 график изображают сигнал на 1, 10 и 15 термоциклах соответственно.

Рис. 3 Выходной сигнал датчика на 1, 10 и 15 термоциклах соответственно.

Из рисунка видно, что увеличение количества термоциклов может привести к улучшению повторяемости показаний во всем диапазоне температур на одном образце.

2) нестабильная работа при отрицательных температурах и при переходе от отрицательных к положительным температурам. На рисунке 4 изображен график выходного сигнала на одном термоцикле, где область 1 - временная область воздействия минимальной температуры -40 єС, область 2 - временная область, в которой осуществляется переход из области отрицательных температур в область положительных.

Рис. 4 График выходного сигнала ММ на одном термоцикле

Это наблюдение позволяет рассмотреть возможность, как сужения, так и расширения температурного диапазона.

3) отсутствие повторяемости показаний от образца к образцу.

Общий вид сигнала монотонный, но присутствуют произвольные выбросы, природу которых требуется изучать. На рисунке 5 представлены выходные сигналы двух разных датчиков.

Рис.5 Выходные сигналы двух разных датчиков

Как видно из рисунка, поведение выходного сигнала двух датчиков различно, что позволяет выявить проблемы в процессе сборки ММ.

В настоящей статье представлены лишь некоторые результаты, полученные при исследованиях, так как поставленные цели подразумевают большое количество этапов, которые нужно выполнять последовательно.

Заключение

В настоящей статье описана методика термотренировки микромодулей и характеристики, изучавшиеся при ее проведении. Представлены результаты проведенных испытаний, позволившие определить методику как завершающий этап в изготовлении микромодулей.

Перспективы дальнейшей разработки методики термотренировки:

- обеспечить повторяемость от образца к образцу,

- выявить возможности перехода на использование новых компонентов в процессе сборки микромодулей,

- определить максимальную и минимальную температуры, при которых показания микромодулей удовлетворяют требованиям.

Размещено на Allbest.ru