CC BY
62
Секция конструирования электронной аппаратуры
УДК 621.3.049.77.001.2
Б.Г. Коноплев, И.Е. Лысенко
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП С ТРЕМЯ ОСЯМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Рынок сенсорных элементов микросистемной техники (МСТ) на протяжении последних лет имеет один из самых высоких показателей темпов роста. Из всего объема элементов МСТ около половины приходится на различные сенсоры для микросистем ориентации и навигации подвижных объектов, в которых весьма критичными являются массогабаритные характеристики элементов [1-3].
Основу элементной базы данных микросистем составляют микромеханиче-, ( ), -значенные для измерения угловых скоростей объекта.
Известные ММГ [1-6] позволяют измерять угловую скорость объекта по одной или двум осям чувствительности. Для измерения угловой скорости подвижного объекта по трем осям используют комбинации (сборки) из одноосных и двухос-,
, .
этом требуется юстировка или компенсация погрешностей взаимного расположения осей чувствительности, определяемых сборкой.
Разработка интегральных трехосных ММГ позволит улучшить массогабаритные характеристики микросистем ориентации и навигации подвижных объектов, а также уменьшить их себестоимость. При этом конструкции и технологические маршруты изготовления ММГ должны быть адаптированы к существующим интегральным технологиям производства микроэлектронных устройств.
В данной работе представлен интегральный микромеханический гироскоп с тремя осями чувствительности (рис.1) [7]. Предложенный ММГ содержит непод-
(1), (2), -(3)
подвес, в состав которого входят якорные области (4), упругие балки (5, 6) и пла-(7), -
2 6.
Рассмотрим работу ММГ на примере одной инерционной массы. При подаче на неподвижные электроды электростатических приводов 1 переменных напряжений, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 1800, относительно инерцион-2, , -водит к отклонению последней от первоначального положения. При этом перемещения инерционных масс в некоторой степени будут инициировать колебания пла-7. -
3 2, -
крытия не изменяются.
Рис.1. Интегральный микромеханический гироскоп
На основе выражений для жесткостей упругих балок, испытывающих изгиб, а также с учетом их последовательно-паршлельного соединения, получено выражение для жесткости упругого подвеса ММГ:
*1=4*5+245^б
-1
(1)
где Е - модуль Юнга; 125,12б - моменты инерции сечений балок 5 и 6, соответственно; ЬЬ5, ЬЬ6 - длины балок 5 и 6, соответственно.
При вращении подложки с некоторой угловой скоростью £\у вокруг одной из
- , (
X и У), инерционная масса 2 под действием силы Кориолиса начинает совершать колебания перпендикулярно плоскости подложки. Разность напряжений, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений, образованных неподвиж-
3 2, -
зора между ними, характеризует величину угловой скорости £\у.
С помощью выражений для жесткостей упругих балок, испытывающих изгиб , -:
к
2'
''Ы25'1 р6
21\в!г511 + ^+^
Ъ5 р6
1
(2)
где 1р6 - полярный момент инерции балки 6; ц - коэффициент Пуассона.
При вращении подложки вокруг оси Ъ с некоторой угловой скоростью £\, инерционная масса 2 под действием силы Кориолиса начинает совершать колебания вдоль плоскости подложки. Колебания инерционной массы через упругие балки 5 передаются пластинам жесткости 7, которые также начинают совершать колебания в плоскости подложки. Разность напряжений в парах, генерируемых на емкостных преобразователях перемещений за счет изменения их площади взаимного перекрытия, характеризует величину угловой скорости Г22.
В этом случае жесткость упругого подвеса гироскопа определяется следующим выражением:
т 3
*3 = 24£,г6«' (3)
'3
Пусть инерционные массы 2а и 26 образуют пару чувствительных элементов расположенных вдоль оси X, а инерционные массы 2 в и 2 г - вдоль оси У. Тогда динамическая модель гироскопа может быть представлена дифференциальными уравнениями второго порядка [2] и будет иметь следующий вид:
где ш2а, ш2б, ш2в, ш2г - масса первого, второго, третьего и четвертого чувствительных элементов, соответственно; х2а, х2б, х2в, х2г - перемещение первого, второго, третьего и четвертого чувствительных элементов под действием электростатических сил; ах, ау, а2 -ускорения вдоль осей X, У, 2, соответственно; Бь ¥2, Р3, Б4 -силы, создаваемые электростатическими актюаторами; г| - коэффициент трения; є
- относительная диэлектрическая проницаемость воздушного зазора; є0 - электрическая постоянная; 1ш, И - длина и толщина инерционной массы, соответственно; d
- расстояние между отклоняющим электродом и инерционной массой; иьи2 - на-
,
относительно массы; ОХ, Оу, - угловые скорости вокруг осей X, У, 2, соответст-
венно; РхС1, Р2с1,РХс2, Р2с2, Бус3, Р2с3, Бус4, Р2с4 - силы Кориолиса, возникающие под действием Ох, Оу, О2, соответственно; х^с1, Х^С2, хМс1, Х^С2, х^с1, Х^С2, х^с1, х^С2 -перемещение чувствительных элементов под действием сил Кориолиса.
На рис.2-3 приведены результаты моделирования пары чувствительных элементов предложенного гироскопа при ЬЬ5=ЬЬ6=ЬЬ=200 мкм, ЬЬ5=ЬЬ6=И=8 мкм, -Ь5=8 мкм, -Ь6=2 мкм, d=10 мкм, площади инерционных масс 200x200 мкм2 и угловых скоростях £\у,2=50 град./сек.
При подаче отклоняющего напряжения и=60 В на неподвижные электроды относительно инерционных масс, последние начинают совершать первичные колебания с амплитудой около 4 мкм и частотой порядка 3 кГц (рис.2-3).
Рис. 2. Результаты моделирования работы микромехантеского гироскопа
При возникновении угловой скорости вокруг осей X и У инерционные массы 2а (рис.2) и 26 (см. рис.3) начинают совершать вторичные (информативные) колебания перпендикулярно плоскости подложки с амплитудой приблизительно 650 нм. При возникновении угловой скорости вокруг оси Ъ инерционным массы совершают информативные колебания вдоль плоскости подложки с амплитудой около 170 нм.
Как показали результаты моделирования, амплитуды вторичных колебаний предложенного гироскопа сравнимы с величинами информативных колебаний ана-,
всем трем осям чувствительности.
Рис. 3. Результаты моделирования работы микромехантеского гироскопа
Предложенные модели жесткостей упругого подвеса для первичных и вторичных режимов колебаний чувствительных элементов гироскопа, динамические модели и результаты моделирования ММГ могут использоваться при проектировании трехосевого микромеханического гироскопа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Распопое В.Я. Микромеханические приборы.- Тула: Изд-во Тульского гос. ун-та, 2002.392 с.
2. Фрайдеи Дж. Современные датчики. Справочник.- М.: Техносфера, 2005.- 592 с.
3. Performance of Small, Low-Cost Rate Sensors for Military and Commercial Applications // Draper Laboratory.- 11 p. (URL: http://www.draper.com).
4. Корляков А.В., Лучший В.В., Малышев ПЛ. Микромеханические структуры на основе композиции «карбид кремний - нитрид алюминия» // Микроэлектроника. Т. 28. 1999. №3. - С. 201-212.
5. ±150°/s Single Chip Yaw Rate Gyro with Signal Conditioning (ADXRS150) // Analog Devices. - 12 p. (URL: http://www.analog.com).
6. Погалов AM., Тимошенков В.П., Тимошенков СМ., Чаплыгин Ю.А. Разработка микроги-
// -
ка. 1999. №1. - С. 36-41.
7. Коноплев Б.Г., Лысенко И.Е. Интегральный микромеханический гироскоп. Патент РФ №2251077, 2005 г.
УДК 519.85:530.145
Б.Г. Коноплев, АЛ. Ковалев, В.В. Кальсков КВАНТОВЫЕ АЛГОРИТМЫ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ
Тенденции развития вычислительной техники задают жесткие требования к , , элементной базы вычислительных систем. Кардинально повысить характеристики вычислительных систем можно при использовании наноразмерных структур и , . организация вычислений на основе квантовых объектов с использованием волновых свойств частиц.
В данной работе предлагается метод, повышающий вероятность правильного решения квантового алгоритма. Метод заключается в том, что соседние кубиты меняются своими состояниями, и по цепочке состояние от подготавливаемого кубита передается к кубиту, который расположен по «соседству» с кубитами, входящими в вычислительный процесс. При этом данные состояния не разрушаются и предыдущее состояние кубита после вычислений по цепочке возвращается на свое .
Для оценки эффективности предложенного метода был проведен сравнительный анализ исходного алгоритма с измененным алгоритмом. Анализ надежности проводился на основе функциональной зависимости частоты появления ошибок от , , -тода и увеличении числа кубитов надежность выполнения квантового алгоритма повышается по сравнению с исходным алгоритмом на 5 - 15%. Однако при большом числе элементов надежность несколько падает.
В результате проделанной работы предложен метод повышения вероятности правильного выполнения квантовых алгоритмов, что позволяет уменьшить число
