Введение в High-End сегменты применений МЭМС-технологии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Светлана СЫСОЕВА

[email protected]

Введение

Со словосочетанием High-End ассоциируются аэрокосмическая, военная и специальная техника, включая промышленные системы с особыми условиями эксплуатации и контрольно-измерительную аппаратуру, медицинское оборудование, High-End автомобили, железнодорожный, морской транспорт и т. д., — все те сферы применений, где востребованы особо высокие рабочие характеристики, точность, практически безотказная работа, допускается уникальное исполнение и высокая цена устройств. Но High-End уровень исполнения со временем стал достижимым не только посредством так называемых традиционных технологий, которые для каждого типа применений своя, но и посредством инновационных МЭМС-решений, превосходящих свои не МЭМС-аналоги по всем параметрам, а вдобавок отличающихся сниженными массо-габаритными характеристиками и низкой ценой [1].

В результате в настоящее время наблюдается переход от концептуального дизайна к практическому использованию достижений коммерческих технологий МЭМС в таких консервативных областях, как аэрокосмическая, военная и специальная техника [2].

High-End сегменты рынков МЭМС в 2010 году переживают интенсивный рост, как и рынки, использующие МЭМС в потребительских и мобильных применениях. По данным iSuppli 2009 года, в период с 2008 по 2013 год этот рынок характеризуется 16%-ным CAGR.

Прогноз iSuppli для МЭМС-промышлен-ности в целом позитивный: с 2009 по 2013 год ожидаемый CAGR составит 11,5%, что является хорошим показателем на фоне 5% в 2008 году и 8% в 2009-м. High-End сегменты рынков, а среди них промышленный и технологический контроль, медицинская электроника, военная и гражданская авиация,

Введение в High-End сегменты

применений МЭМС-технологии

Актуальные новости и предложения компонентов от ведущих производителей МЭМС для High-End применений — постоянная тема для обсуждения и источник приложения сил российских разработчиков, успешно реализующих бизнес-модель разработки на уровне применения покупного компонента в составе электронного модуля собственной разработки (компонента следующего уровня иерархии или системы). Этот обзор — для них. В статье представлен обзор современных применений МЭМС-технологий в сегментах рынков, обобщаемых названием High-End.

представляют собой растущую нишу для сбыта МЭМС. По еще более новым данным от iSuppli середины лета 2010 года, ожидаемый CAGR для так называемых high-value MEMS (все за пределами объемных рынков) до 2014 года составляет порядка 20%, а в 2010 году он равен 30%. К концу текущего года продажи high-value MEMS достигнут $1,6 млрд, или 103 млн единиц [3].

В High-End сегментах рынков сбыта коммерческих технологий МЭМС доминируют датчики инерции и давления.

Отчасти это объясняется существующей областью задач. Датчики инерции — акселерометры, гироскопы, мультисенсорные модули и системы на их основе — широко применяются в навигации, для компенсации работы других приборов (акселерометры, инклинометры) или стабилизации (гироскопы), например платформ. Блоки инерциаль-ных измерений (БИИ, Inertial Measurement Units, IMU) — одно из ключевых High-End применений датчиков инерции, сегодня — в МЭМС-исполнении. Ниша сбыта для датчиков давления существует в связи с необходимостью измерений атмосферного давления и высоты, контроля аэродинамики (граничных слоев потока воздушных масс), контроля различных машин и систем, работа которых предполагает использование газов или жидкостей.

Увеличение сбыта МЭМС-датчиков инерции объясняется тем, что потребители High-End датчиков инерции, БИИ и систем на их основе оценили, а поставщики смогли использовать преимущества МЭМС-технологии, реализуя накопленный опыт и/или интеллектуальный потенциал других инновационных компаний и фабрик. Многие объемные поставщики Low-End МЭМС также уже достаточно «созрели» для выхода на High-End сегменты.

Хотя к навигационным и многим измерительным приборам, использующим акселеро-

метры и гироскопы, предъявляются высокие требования в отношении точности и надежности, зачастую эти устройства эксплуатируются в сравнительно мягких (например, вну-трикабинных) условиях. В этом случае отличие High-End исполнения от коммерческого будет состоять в применении более сложных компенсационных, калибровочных и избыточных схем с алгоритмами слияния данных от различных типов датчиков, но МЭМС-часть и вся система не потребуют особого, отличного от стандартного, корпусирования.

Это наблюдалось в эволюции акселерометров, которые представляют собой самые развитые технологии МЭМС. Технологии High-End уровня исполнения — это обычно достаточно дорогие пьезоэлектрические и пьезорезистивные устройства (в первую очередь в сегменте датчиков вибрации/удара), но затем к ним успешно добавилась и емкостная технология, имеющая больший потенциал снижения потребления мощности и цены. До недавнего времени большинство коммерческих емкостных датчиков представляли собой low-g устройства, но сегодня кремниевые емкостные технологии также стали применяться в сегменте датчиков вибрации/удара. В дальнейшем ожидается приход акселерометров и гироскопов, основанных на других технологиях.

Гироскопы — более сложные устройства, в связи с чем достижение многими фирмами рабочих характеристик уровня High-End было зафиксировано именно в последнее время.

Особую нишу занимают устройства, работающие в жестких условиях эксплуатации (высокие температуры, вибрация, разрушительные потоки, коррозионные среды). От обычных они отличаются тем, что для них применяются не только более сложные схемы, но и особое корпусирование для защиты всей системы, другие материалы и технологии производства и корпусирования МЭМС-части. Примером могут послужить

датчики давления — исторически первые коммерческие МЭМС. Метод преобразования энергии типа strain gauge (пьезо- или тензорезисторы) в конфигурации моста Уитстона по краям подверженной деформации диафрагмы позволяет считать их самыми простыми и статичными устройствами — и в плане измерительной концепции, и в плане стабильности состояния спроса на них в различных рыночных сегментах. Но для аэрокосмических применений внутри двигателей и других устройств они будут выполнены из материала SiC, известного своими высокотемпературными свойствами, и помещены в герметичный металлический корпус. МЭМС, которые могут применяться для контроля полета, также в значительной степени основываются на датчиках давления, к которым будут предъявляться более высокие требования в отношении прочности.

Многие другие МЭМС-устройства находят применение на High-End рынках: датчики расхода или обледенения, микроболометры, дисплеи, МОЭМС, актюаторы, микрореакторы.

Важнейшие High-End сегменты рынков — в аэронавтике и военной технике, где в первую очередь явно прослеживается, что МЭМС-гироскопы замещают волоконнооптические гироскопы. В большинстве своем они пока достигли только тактического уровня исполнения.

В основе классификации гироскопов лежат требования, предъявляемые к гироскопам скорости вращения, тактическим и инерциальным, в отношении стабильности смещения и углового случайного ухода (шума) Angular Random Walk (ARW). Для гироскопов тактического уровня исполнения стабильность смещения должна составлять порядка 0,1-10°/ч, навигационных — менее

0.01./ч. ARW тактических гироскопов должен быть порядка 0,5-0,05°/^ч, навигационных — менее 0,001°/^ч. FS-диапазон (полная шкала) для них обычно выше 500°/с (для навигационных — выше 400). Есть и другие особенности, например, частотная полоса (динамическая область — от нескольких герц до нескольких сотен герц).

Множественные примеры существующих и потенциальных аэрокосмических применений МЭМС включают:

1. Инерциальные и навигационные блоки и системы (IMU, входящие в системы определения курса (Attitude heading reference systems, AHRS) и инерциальные навигационные системы (INS), блоки инерциальных измерений (Strap down inertial measurement units, SIMU).

2. Контроль полета. Согласно данной концепции МЭМС-датчики изучают и обрабатывают информацию о воздушном потоке, окружающем летательный аппарат, а затем формируют управляющие сигналы для МЭМС-актюаторов, которые искусственно изменяют микроструктуры потока, созда-

вая интеллектуальные активные поверхности контроля полета1.

Активный контроль тонких граничных потоковых слоев применяется для повышения аэродинамики, устойчивости и управляемости, снижения лобового сопротивления, предотвращения срыва по-тока2, уменьшения стандартных поверхностей, выполнения отрыва от земли, повышения аэродинамических характеристик компрессоров, турбин, мало поддающихся наблюдению впускных устройств и т. д.

3. Структурное тестирование в полете, включая тестирование на подверженность флаттеру3.

4. Системы мониторинга «здоровья» при использовании Health usage monitoring system (HUMS), которые интегрированы с компьютерами управления полетом для обеспечения ранних предупреждений штурману и техническим службам о частях, требующих замены.

5. Системы стабилизации (аэродинамики всего транспортного средства на различных этапах полета и работы электронных систем).

6. Наземное частотное (вибрационное) тестирование (Ground vibration testing, GVT), тестирование посредством аэродинамических труб.

7. Модальное тестирование (контроль модулей, как наземное тестирование, так и в полете).

8. Контроль механизмов и давления шасси.

9. Активное вибрационное демпфирование.

10. Генерация мощности посредством микро-топливных ячеек и микродвигателей для питания автономных датчиков и актюа-торов и осуществления их беспроводной коммуникации с компьютерами.

11. МЭМС-дисплеи.

12. Датчики обледенения.

13. МЭМС-микрофоны.

14. Контроль процессов сгорания в двигателе и выбросов вредных веществ.

15. Контроль работы систем обеспечения функционирования силовых агрегатов.

16. Системы жизнеобеспечения и безопасности.

17. Мониторинг окружающей среды.

Важно отметить, что развитие МЭМС-

технологий и их широкое применение будет логически подводить эволюцию летательных аппаратов к интеллектуальным беспилотным летательным аппаратам. Интеллектуальные системы и поверхности с возможностью управления со спутника допускают автономное управление без привлечения летчика, что актуально при проведении исследований и съемок в опасных зонах и в военных условиях. Как направление развиваются беспилотные транспортные средства, в том числе миниатюрные, с малым размахом крыла, автопилот которых использует данные GPS для следования по заданным маршрутам и ориентирования камер, для которых в первую очередь необходимы навигационные МЭМС-датчики, а также, в зависимости от решаемых беспилотным аппаратом задач, — другие из полного набора возможных МЭМС-устройств.

1 Для осуществления управляемого полета необходимо, в первую очередь, наличие крыла аэродинамической формы, дающей подъемную силу и минимальное лобовое сопротивление при полете на большой скорости (отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению на данном угле атаки называется аэродинамическим качеством крыла). Для того чтобы крыло самолета могло давать подъемную силу, необходимым условием является его перемещение с определенной скоростью относительно воздушных масс. Большинство самолетов поэтому взлетают с разбегом — для приобретения необходимой для отрыва от земли скорости. Для горизонтального полета (при полете самолета на данном угле атаки и данной высоте полета) подъемная сила должна быть равна весу самолета, для подъема и набора высоты — превышать вес самолета.

Должна обеспечиваться достаточно большая площадь поверхности крыла, которая поддерживает вес аппарата, что важно, в первую очередь, на взлете и посадке.

Тяга, необходимая для полета, возникновения подъемной силы и преодоления лобового сопротивления, создается силовой установкой, состоящей из двигателя, движителя (винта.) и систем, обеспечивающих их работу (топливная система, система смазки, охлаждения и другие). Посадка — более сложный отрезок полета, чем взлет, включающий в том числе планирование (установившийся полет с выключенным двигателем, частный случай снижения).

На всех отрезках полета самолета задействуются дополнительные поверхности или средства изменения основных поверхностей для изменения направления и скорости полета летательного аппарата (взлета, посадки, изменения курса, крена и т. д.).

Для осуществления контролируемого полета самолета требуется полное или частичное равновесие внешних сил и моментов, действующих на самолет, устойчивость и управляемость. Контролируемый полет осуществляется при аэродинамическом балансе основных и дополнительных аэродинамических поверхностей, которые могут поднимать летательный аппарат в воздух и изменять направление полета. Для контроля изменения аэродинамических поверхностей применяются механизмы управления. Для увеличения площади выпускаются закрылки и предкрылки, для уменьшения скорости и подъемной силы — спойлеры (вместе они называются механизацией крыла и при выпуске ухудшают аэродинамическое качество). Для балансировки управления самолетом применяются аэродинамические рули. Поворот и балансировка относительно поперечной оси самолета осуществляется посредством рулей высоты (в более новых самолетах — посредством управляемых стабилизаторов, или горизонтального оперения). Для крена на крыле имеются элероны. На скоростных самолетах применяются дополнительно интерцепторы, усиливающие эффективность элеронов.

Балансировка и поворот самолета относительно вертикальной оси осуществляется с помощью руля поворота (киля, или вертикального оперения).

Аэродинамический руль представляет собой отклоняющуюся заднюю часть крыла, стабилизатора, киля.

При больших углах атаки крыла и резкой потере скорости возможен срыв в штопор (неуправляемое движение самолета по спиральной траектории малого радиуса на закритических углах атаки). При резкой потере подъемной силы самолет вначале парашютирует, затем стремится сваливаться на крыло, что приводит к штопору. Для выхода из штопора требуется значительная высота, выход достигается посредством применения рулей управления.

Военные самолеты могут продолжать управляемый полет на закритических углах атаки. На этом основаны некоторые фигуры пилотажа. Это самые общие сведения из аэродинамики, указывающие на важность обеспечения контроля полета самолета. В дальнейшем технологии МЭМС могут применяться и для контроля полета вертолетов и других летательных аппаратов, аэродинамики автомобиля и других транспортных средств. Аэродинамика современного High-End автомобиля не менее сложна, но езда возможна с любой аэродинамикой, а полет самолета возможен только при соблюдении ряда условий, поэтому роль поверхностей контроля полета и МЭМС первостепенна.

2 Срыв потока сопровождается резким снижением подъемной силы крыла, увеличением его сопротивления и приводит к неблагоприятным последствиям. Явлению срыва подвержены и другие рабочие плоскости: оперение, винты, лопатки компрессора. При кабрировании угол атаки увеличивается, растет турбулентность. При достижении критического угла атаки точка отрыва потока смещается вдоль верхней поверхности крыла к передней кромке, резко падает подъемная сила, вследствие чего вероятно сваливание, с большой вероятностью переходящее в штопор. При приземлении самолет движется с малой скоростью и со снижением, с большими углами атаки. Для затягивания срыва потока применяются щелевые закрылки, обеспечивающие перетекание воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю.

3 Флаттер (англ. flutter — вибрация) — самовозбуждающиеся колебания частей летательного аппарата (главным образом крыла и оперения), возникающие при достижении так называемой критической скорости флаттера; может привести к разрушению конструкции (БСЭ).

Power

Power

Data Гироскоп В

Comp.

Power

Data Гироскоп С

Comp.

Serial Discrete Async

I/O JTAG Inputs power I/O

Системный соединитель

bZ.

Драйвер/

Ресивер

Выходной

формат

bZ.

Условия

питания

Загрузка

ПО

Конинг/ Скаллинг/ Цифровой фильтр

Контроль

режима

Преобразование

Аккумулятор

данных

Преобразователь напряжения в частоту

Электроника

Power

Power

Data Акселерометр В Comp.

Power

Рис. 1. High-End датчики инерции Honeywell: а— г) IMU тактического уровня исполнения HG1700, HG1900, HG1930:

а) HG1700 (внешний вид) на основе RLG и кварцевой технологии; б) внешний вид HG1900; в) функциональная схема HG1900; г) внешний вид HG1930

В военных применениях доминируют акселерометры и гироскопы в управлении снаряжением (munitions guidance) — для тактических ракет, управляемых снарядов, интеллектуального управления. В сущности, управляемый снаряд — это тот же беспилотный летательный аппарат, осуществляющий самостоятельную навигацию к цели. Другие ключевые военные применения МЭМС включают навигацию всех видов транспорта и солдатскую экипировку.

Микроболометры — еще одно ключевое применение МЭМС в военной (оборонной) промышленности, хотя для них существуют еще две ниши: инспекция строений и автомобильные системы ночного видения. Применение тепловизоров в различных отраслях ограничено их назначением и функциональными возможностями: как правило, это пассивный мониторинг, различение людей и других объектов, излучающих тепло, исследования тепловых зон, часто проводимые посредством беспилотного (безопера-торного) транспорта.

МЭМС в космосе — это микродвигатели, микроскопические маневровые реактивные двигатели, инерциальная навигация, микроинструменты, ВЧ-коммуникация.

Некоторые другие перспективные High-End направления включают геофоны, микрофлюи-дику, имплантируемые беспроводные МЭМС, оптические МЭМС для телекоммуникации, промышленное оборудование и ATE (автоматизированное тестовое оборудование).

Некоторые топ-поставщики МЭМС для аэрокосмических и военных сегментов: Honeywell, Colibrys, MEAS, FLIR Systems, BAE Systems, JDSU и другие. Компании Endevco, MEAS, Colibrys — топ-поставщики High-End МЭМС-акселерометров в течение многих лет. Sensonor, VTI, ADI, Freescale, ST, MEMSIC — новые примеры активных компаний, достигших успехов в выводе своих коммерческих технологий МЭМС на High-End сегменты.

Honeywell — известная крупная фирма и сильный игрок, в особенности в области акселерометров, гироскопов для аэрокосмических и военных применений. Впрочем, в последнее время состояние дел на рынке датчиков инерции значительно изменилось. FLIR Systems — лидер в производстве микроболометров для промышленности и военных применений.

О других компаниях — по ходу статьи.

High-End MEMS и датчики Honeywell

Honeywell — это лидирующий производитель и поставщик прецизионных датчиков и компонентов для многих применений. Сюда входят прецизионные блоки инерци-альных измерений (БИИ, или IMU) и индивидуальные инерциальные компоненты, в том числе на основе МЭМС-технологий [4-7]. Клиенты Honeywell получают возможность гибкого дизайна — использовать продукты как автономные компоненты или как интегрированные элементы в системах управления.

IMU Honeywell разрабатывались с целью обеспечения уникальных и растущих требований прецизионно управляемых тактических и стратегических платформ управления и навигации всех типов: ракет, управляемых снарядов, баллистических перехватчиков (ballistic interceptors), беспилотных транспортных средств, целей, торпед.

Технологии, составляющие ядро семейств продуктов для тактического управления, включают кольцевые лазерные гироскопы (RLG), МЭМС-гироскопы, акселерометры на основе оригинальных технологий Q-Flex (кварцевая изгибная система), резонирующей балки ACCELEREX (RBA500) и МЭМС.

Технология Honeywell RLG была разработана в 1960-70-х годах для коммерческих, космических и военных систем управления, навигации и контроля. Первое коммерческое применение состоялось в самолетах Boeing 767 и 757 в 1978 году. RLG Honeywell отличались высокой точностью, надежностью, низкой ценой в сравнении с другими технологиями гироскопов — механическими или волоконно-оптическими.

Преимущества этой технологии были ярко продемонстрированы с успешным развертыванием управляемого оружия посредством комплекса управления Joint Direct Attack Munition, преобразующего обычные снаряды (бомбы) в интеллектуальные. Но в дальнейшем Honeywell, как и другие компании, работающие в области High-End электроники, обратилась к практическому использованию

См

GND Power

I I

Data Гироскоп A с электроникой Comp.

GND Power і i

Data Гироскоп В с электроникой с^р.

GND Power і 1

Гироскоп С с электроникой Сотр.

RS-422 Async Discrete

Serial I/O Serial I/O Inputs Power Spare

LVDS Послед. I/O интерфейс

FPGA

Электроника

Power GND

I 1

ГГЇ

-I-

Акселерометры A с электро-Temp никой

Power GND

I I

Data .

Акселерометры В с электро-Тегпр никой

Power GND

I I

Ll

Data Акселерометры С с электро-Temp никой

Изолированная подсборка инерциальных датчиков

_ть±і

Рис. 1. High-End датчики инерции Honeywell: д) функциональная схема HG1930;

е) двухосевой МЭМС-гирокорпус GG5200 для военных применений (нацеливания и стабилизации (в том числе башен), контроля полета);

ж) трехосевой МЭМС-гирокорпус GG5300 для нацеливания и стабилизации, контроля полета, а также для управления (guidance);

з) кварцевые акселерометры Accelerex RBA500;

и) кварцевые акселерометры Q-Flex

технологий МЭМС, допускающих создание сверхминиатюрных систем (инерциальной навигации, тяжелых пушек) с высокими характеристиками и точностью.

Обычные IMU могут не выдерживать артиллерийские удары с высокими уровнями ускорений, но Honeywell разработала малые, основанные на МЭМС БИИ, которые были способны выдерживать high-g удары и дали повышенную точность по приемлемой цене. Полуавтоматическая навигационная система снарядов Excalibur (в переводе с англ. — Эскалибур, волшебный меч короля Артура) от Honeywell выдерживает артиллерийские удары, собирает данные от GPS и необходимые для инерциальной навигации и осуществляет целевую навигацию с высокой точностью.

Текущая линейка High-End IMU продуктов для тактического управления (tactical guidance) включает три устройства: HG1700, HG1900, HG1930 (рис. 1а-д). HG1700 IMU представляет собой комбинацию RLG гиро-

скопов Honeywell GG1308 и акселерометров Honeywell RBA500.

HG1900 — МЭМС гиро-БИИ, предназначенный для различных коммерческих, военных, навигационных применений, — на основе МЭМС-гироскопов Honeywell с теми же акселерометрами RBA500. HG1930 — полностью МЭМС (и акселерометры, и гироскопы) БИИ для управляемых снарядов (guided projectile) тяжелых орудий (Gun-Hard). Все блоки компактные и питаются от источника малого напряжения. Выходные сигналы всех БИИ представляют собой изменение угла и угловой скорости.

В соответствии с областью решаемых IMU задач, диапазон характеристик HG1700 и HG1900 согласуется с требованиями тактических ракет (tactical missile) и интеллектуального снаряжения (smart munition). Блок HG1930 — компактный и имеет характеристики, соответствующие требованиям контроля полета управляемых снарядов.

Сравнительные технические данные тактических IMU Honeywell сведены в табл. 1.

RLG- и MEMS-гиропродукты предназначены не только для задач тактического управления, но и для большого числа аэрокосмических, наземных, морских, космических транспортных средств, ракетных и беспилотных систем (табл. 2). Примером автономного гироскопа для High-End применений может послужить, например, двухосевой гирокорпус MEMS Rate Gyro Package Honeywell GG5200 (рис. 1е) для стабилизации искателей, орудий и башен/турелей, нацеливания антенн, контроля полета и других применений. Его назначение — замещение гиротехнологии spinning mass в новых системах или модификация существующих. GG5300 (рис. 1ж) — трехосевой МЭМС-гирокорпус для тех же задач.

Помимо этих High-End продуктов, в портфолио Honeywell, в частности, представлен датчик угловой скорости GG1178, компактный керамический 14-выводный корпус LCC

SMT которого предназначен для встраивания в недорогие блоки инерциальных измерений, ассистируемые GPS. Применение МЭМС позволило достичь значительного снижения ошибок вследствие действия ускорения и внеосевых вращений. МЭМС-устройства — малые, дифференциальноемкостные, симметричные структуры.

Сенсорный элемент МЭМС объединен со CMOS ASIC с аналоговым или цифровым выходом, пропорциональным угловой скорости. Устройство отличают высокие рабочие характеристики в широком рабочем диапазоне температур и высоко вибрационном окружении, широкий динамический диапазон, малые шумы и высокое разрешение. Чувствительность и частотная полоса выхода программируются при производстве. Применения: GPS-навигация, автомобильный контроль стабилизации, стабилизация видеокамер и т. д.

Honeywell имеет в линейке своих продуктов и акселерометры для инерциальной аэрокосмической навигации, управления (guidance) и контроля, измерений в процессе бурения, промышленного контроля движения и мониторинга вибрации.

RBA500 (Resonating Beam Accelerometer, RBA) — это акселерометры ACCELEREX на основе резонирующей балки, которые измеряют ускорение как функцию частотной разницы между двумя наборами вибрационных кварцевых балок.

RBA500 — датчик, уникальный наличием выхода, совместимого с цифровым входным интерфейсом. Акселерометры Honeywell на основе технологии Q-FLEX характеризуются патентованной вытравленной кварцевой изгибной сейсмической системой Q-Flex, стандартным для них является аналоговый выход. Инерционная масса из аморфного кварца обеспечивает достаточно малое и стабильное смещение, фактор чувствительности, стабильность выравнивания по осям.

В портфолио Honeywell имеются IMU и гироскопы навигационного исполнения (HG9848, HG9900 и другие) — но только на основе RLG-технологии. Для МЭМС навигационный уровень исполнения гироскопов еще не достигнут, но многие производители, в том числе Honeywell, добились значительного улучшения стабильности смещения.

Honeywell проявляет активность в разработке будущих прецизионных систем интеллектуального снаряжения, непрерывно совершенствует производственные процессы и методологии для существующих и возникающих применений своих продуктов.

^вместное предприятие Honeywell International/Rockwell Collins Integrated Guidance Systems LLC (http://www.igsllc.com) разрабатывает глубоко интегрированные системы управления, с GPS и функциями анти-джамминга, в том числе с МЭМС-датчиками инерции (рис. 2). Система семейства IGS-2xx, например, включает цифровую инерциаль-

Таблица 1. Сравнительные технические данные IMU тактического уровня исполнения Honeywell

Параметр Датчик

HG1700 HG1900 HG1930

Сравнительные характеристики гироскопов

Рабочий диапазон, °/с ±1074 ±1000 ±1000

Стабильность смещения (In-Run stability), °/ч (1а)* 1 <17 <20

Повторяемость смещения, °/ч (1а) 1 <7 <20

Повторяемость чувствительности, ppm (1а) 150 150 350

Линейность, ppm (1а) 150 150 300

Чувствительность смещения к статическому ускорению, °/ч/д (1а) нетданных 3 4

Чувствительность смещения к ускорению д2 (ошибка в виде сдвига смещения), °/ч/д (1а) нетданных 0,6 2

Акустическая ошибка в виде сдвига смещения Bias Acoustic Rectification Error (ARE), °/ч максимум нетданных 10 10

Квантизация, микрорадиан максимум 13,47 10 10

Угловой случайный уход, Angular Random Walk (ARW) (max), °/^ч (1а) 0,125 0,09 0,30

Осевая стабильность выравнивания, микрорадиан (1а) 500 S0 500

Стабильность выравнивания осей (неортогональность), мкрад (1а) 100 50 100

Сравнительные характеристики акселерометров

Рабочий диапазон, g 70 70 30

Ошибка чувствительности, ppm (1а) 300 300 300

Линейность, ppm (1а) 500 500 500

Повторяемость смещения, x10-3g (1а) 1 1 5

Стабильность смещения, x10-3g (1а) 1 1 3

Вибрационное смещение (max), x10-3g 500 500 1200

Стабильность выравнивания осей (неортогональность), мкрад (1а) 100 100 500

Случайный уход скорости Velosity Random Walk (VRW), м/с/^ч максимум (1а) 0,22 0,22 0,30

Некоторые общие данные

Объем, дюйм3** 33 17 5

Вес, lbs*** <2 <1 <0,5

Мощность, Вт <8 <2 <3

Удары за пределами рабочего диапазона (max), g <500 <500 <16000

Технологии

Кольцевые лазерные гироскопы •

МЭМС-гироскопы • •

Кварцевые акселерометры • •

МЭМС-акселерометры •

Применения

Оружейные (Weapons)

Воздушные, поставляемые по воздуху (Air delivered) • • •

Ракетные (Missile) • • •

Орудийные (Gun launched) •

Воздушные транспортные средства

Контроль полета • •

AHRS • •

Навигация •

Морские и поверхностные

UUV • • •

AHRS • •

Примечания: * Здесь и далее — в соответствии с правилом трех а для нормально распределенной величины. ** — 1 дюйм3 *16,4 см3. *** — 1 lbs *454 г.

Таблица 2. Сравнительные технические данные МЭМС-гироскопов тактического уровня исполнения Honeywell

Параметр Датчик

Двухосевой гироскоп GG5200 Трехосевой гироскоп GG5300

Размер Высота 39,63 мм, диаметр 41,92 мм Высота 33,02 мм, диаметр 50,8 мм

Вес, г <60 <136

Время включения Start-Up Time, с <1

Удары (рабочие и нерабочие) 40 g/c*, полусинусоида, 1 мс

Рабочий температурный диапазон, °С -45...+85

Питание 5 В DC ток потребления <200 мА (рабочие параметры) 5 В DC ток потребления <800 мА (рабочие параметры)

Интерфейс Цифровой или аналоговый

Смещение, °/час <90 (во всех случаях) <70 (In-Run)

Angular Random Walk (шум), °/^ч 0,2 (вариации Аллана)

Диапазон угловой скорости, °/с ±360 (оси X и Y) ±360 (оси X и Y); ±720 (ось Z)

Разрешение, °/ч 10 (или 16 бит) <0,6 (<0,01 °/c) (16 бит)

Чувствительность (аналоговая) 25 мВ/°/с (номинальная) ±10 В DC

Погрешность чувствительности <±5 % FS (полного диапазона)

Чувствительность, или фактор масштаба (цифровой), °/ч/бит <10 (LSB)

Ошибка выравнивания, мрад ±17 ±5

Частотная полоса (90° фаза), Гц 100 (типично)

Примечание. * м/с3.

/

и

Рис. 2. Глубоко интегрированные системы Integrated Guidance Systems с МЭМС-датчиками инерции Honeywell: а) IGS-2xx; б) IGS-35x

ную МЭМС сенсорную подсборку. Семейство IGS-35x выполнено на основе комбинации МЭМС-гироскопа с акселерометрами RBA.

Не только датчики инерции являются примером работы Honeywell в области применений МЭМС-технологий, для которых необходимы высокие рабочие характеристики.

Датчики давления (рис. 3) — следующий пример. В разработке и производстве пьезорезистивных датчиков давления и прецизионных преобразователей давления Honeywell имеет более чем 30-летний опыт.

Семейство прецизионных преобразователей (Precision Pressure Transducers, PPT) (рис. 3а) представляет собой результат объединения технологии производства кремниевых МЭМС-датчиков давления с микропроцессорной обработкой сигнала. Достигнута способность обеспечивать высокую точность (0,05% FS) в широком температурном диапазоне — от -40 до +85 °С, что объединено со многими программно реализованными признаками при компактном дизайне (табл. 3).

Датчики давления Honeywell обеспечивают динамические измерения давления и барометрические чтения в системах, где требуются высокие рабочие характеристики. Применения включают сбор вторичных воздушных данных (для воздушных компьютеров), для альтиметров и тестирования двигателя, тестирования полета, метеорологии и другие.

Преобразователи и барометры — достаточно точные и стабильные долговременная стабильность — максимум 0,025% FS в год, чтобы позволить производителю предлагать их своим клиентам как универсальные и наиболее эффективные в стоимостном отношении устройства из числа имеющихся на современном рынке.

Honeywell PPT поставляются и в упрочненном исполнении PPTR (рис. 3б). Выпускается также модель в устойчивом к взрывам исполнении (explosion-proof, PPTE, рис. 3в) — для контроля нефти, газа и т. д. PPT поставляются с последовательными цифровыми RS-232 или RS-485 и аналоговыми выходами на 0-5 В —

Рис. 3. Датчики давления Honeywell:

а) кремниевые МЭМС PPT;

б) преобразователи в упрочненном исполнении PPTR;

в) преобразователи во взрывозащищенном исполнении PPTE;

г) прецизионный барометр HPB;

д) интегрированные преобразователи давления IPT;

е) МЭМС-преобразователь давления LG1237

Таблица 3. Некоторые технические данные прецизионных преобразователей давления Honeywell

Параметры PPT

Характеристики спецификаций

Точность (при температуре -40...+85 °С) Цифровая: ±0,05% FS (тип.), ±0,10% FS (max)

Аналоговая: ±0,06% FS (тип.), ±0,12% FS (max)

Температура: ±1 °С (на сенсорном элементе)

Температурный диапазон, °С Рабочий: —40...+85

Хранение: -55 ...+125

Скорость сэмплинга (конфигурируется) 8,33 мс; до 51,2 мин

Разрешение

Цифровое 0,0011% FS

Аналоговое 1,22 мВ шаги (12 бит)

Задержка срабатывания (1000/скорость обновления) +1 мс, минимум 17 мс

Долговременная стабильность 0,025%FS максимум в год

Механические спецификации

Диапазоны давлений и типы абсолютные, gauge, дифференциальные; от 1 до 500 psi; от ±1 psi до ±500 psi; тип механического интерфейса подачи давления — согласно информации для заказа

Единицы давления atm, bar, cmwc, ftwc, hPa, inHg, inwc, kg/cm2, KPa, mBar, mmHg, MPa, mwc, psi, user, Icom, pfs

Статическое давление (только для дифференциальных устройств) <150 psi (без эффекта на точность PPT)

>150 psi (выход из спецификаций, возврат к спецификации <150 psi)

Совместимость со средой Подходит для неконденсируемых, некоррозионных, негорючих газов. PPTR применимы для других газов и жидкостей

Вес, г 142 (без патрубков)

Электрические спецификации

Выход RS-232 цифровой w/0-5 В аналоговый

RS-485 цифровой w/0-5 В аналоговый

Требования мощности

Напряжение питания, В DC 5,5-30

Рабочий ток Стандартный: 17-30 мА; CE: 13-25 мА

Скорость, бод 1200, 2400, 4800, 9600, 14 400, 19 200, 28 800

Адресация на шине до 89 единиц

Признаки окружающей среды

Максимальное давление (overpressure), подверженность которому не влияет на точность калибровки 3xFS, 600psi (max)

Давление разрыва Burst Pressure (Сумма измеренного давления плюс статическое, превышение которого может давать высвобождение среды) 3xFS, 700 psi максимум

Механические удары 1500 g, 0,5 мс полусинусоида

Температурные удары ч ци к а I 0 +8 С

Вибрация 0,5 дюйма или 20 g/c*, 20 Гц - 2 кГц

Примечание. * м/с3.

с целью использования в авионике, метеорологии, промышленности и медицине.

В линейке Honeywell представлены и прецизионные барометры. Барометры выпускаются в двух исполнениях по точности: HPB — О,4 или О,8 hPa; HPA — О,О3% или О,О6% FS Max.

Honeywell Precision Barometer (HPB) (рис. 3г) также характеризуется применением улучшенной кремниевой сенсорной технологии с микропроцессорной сигнальной компенсацией, что исключает необходимость в изоляции или температурном регулировании барометра, дает точные (±О,О4% hPa4 максимум в диапазоне -4О...+85 °С) и стабильные барометрические измерения в диапазоне 5ОО-12ОО hPa.

Для применений в альтиметрах барометр HPA обеспечивает высокую точность чтения абсолютного давления (диапазон О—17,6 psia) в цифровой форме — до ±О,О3% FS максимум в диапазоне —4О...+85 °С. Пользователь получает возможность использовать HPA в течение минут, существует возможность для опти-

Металлическая

балка

мального конфигурирования характеристик HPA в аэрокосмических и других применениях. Барометры поставляются с выходами RS-232, RS-485 и TTL. Для перечисленных выше устройств предлагаются различные опции механического и электрического интерфейса, демонстрационное ПО и дистанционный цифровой дисплей RDD100.

Интегрированный преобразователь давления Honeywell (Integrated Pressure Transducer, (IPT) (рис. 3д) предназначен для встраивания в клиентские корпуса. IPT обеспечивает высокоточные данные о давлении в промышленном стандартном формате SPI и поставляется в абсолютной, gage и дифференциальной версиях. Диапазоны полной шкалы — от 1 до 50 psi. Точность абсолютных измерений — 0,04% FS, gage (gauge) — 0,1%. Применение коэффициентов, запасаемых в бортовой EEPROM-памяти IPT, к нормализованному выходу давления и температуры (встроены кремниевые пьезорезисторы и температурные сенсоры) дает точные и стабильные чтения при -40...+85 °С с компенсаци-

4 Преобразователи Honeywell поддерживают следующие единицы измерения давления: atm, bar, cmwc, ftwc, hPa, inHg, inwc, kg/cm2, KPa, mBar, mmHg, MPa, mwc, psi, user, Icom, pfs.

Перевод одной единицы в другую — на странице: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%9F%D0%B0

Рис. 4. Микротепловой транзисторный переключатель Mechanically Actuated Field Effect Transistor (MAFET):

а) внешний вид;

б) концептуальная диаграмма;

в) поперечное сечение

ей температурного диапазона. IPT — малый и легковесный (10 г), поэтому может быть легко интегрирован в большое количество систем. Применения IPT включают компьютеры воздушных данных, альтиметры, вну-трикабинные измерения давления, тестовые системы двигателей и полета, метеорологические измерения, оборудование для аналитики, исследований и разработки и т. д.

Для встраивания в клиентские системы предлагается модуль LG1237 (рис. 3е) — МЭМС-преобразователь давления на основе улучшенной кремниевой сенсорной технологии, допускающей высокоточные и стабильные измерения давления в реактивных двигателях, турбинах, авионике, аэрокосмическом тестировании, метеорологии, тестировании двигателей и полета. Его рабочая температура ----55. +125 °C, точность ±0,05% FS

максимум, стабильность ±0,010% FS в год. Выходы, с которыми в различных конфигурациях поставляется устройство, — TTL, RS-485 или RS-422.

Для аэрокосмических применений специалисты Honeywell разработали концепцию микротеплового переключателя на основе механически возбуждаемого полевого транзистора (Mechanically Actuated Field Effect Transistor, MAFET) (рис. 4), отличающегося низкой ценой, малыми размерами (<3,0 мм2) в большим сроком службы (1 000 000 ци-

клов). В отличие от типичных тепловых переключателей, данное устройство использует электронное переключение — таким образом исключаются негативные явления сварки контактов при осуществлении или прерывании контакта металл-металл.

Тепловой переключатель MAFET Thermal Switch построен на основе технологий MEMS и IC. «Сердцем» теплового переключателя MAFET Thermal Switch является температурно-чувствительная отклоняющаяся балка. При изменении температуры от номинальной балка отклоняется по отношению к истоку и стоку транзистора. Приложенное, регулируемое пользователем напряжение затвора завершает это движение и защелкивает балку, когда температура достигает точки уставки (setpoint). Контакт балки с субстратом завершает схему, допуская течение тока от истока к стоку.

Специалисты Honeywell прорабатывают различные возможности использования опыта работы в области технологий МЭМС и накопленного интеллектуального потенциала для High-End военных и гражданских применений. Одним из примеров является разработка миниатюрных атомических часов в масштабе кристалла (Chip Scale Atomic Clock, CSAC) с частотной стабильностью ~1х10-11), что эквивалентно прибавлению или потере

1 секунды каждые 300 лет. МЭМС-технология позволяет производить часы в объеме менее 0,1 см3, потребляющие несколько мВт мощности, что допускает батарейную работу.

Диапазон применений ранжирован от различения свой/чужой до коммерческой коммуникации в рассеянном спектре (spread-spectrum, технология передачи в нескольких частотных диапазонах) и радарных надстроек для обеспечения безопасности коммуникации на ультравысоких частотах (УВЧ, UHF).

Частота — важнейший показатель работы часов. Стабильность частоты важна для работы электронных систем, требующих высокого уровеня точности, например, GPS оборонного назначения, радионаблюдения удаленных объектов, счетчиков событий, регуляции мощности.

Для достижения ультрастабильности в часах миниатюрного размера специалисты Honeywell разработали методологию на основе изменения оптической абсорбции через рубидиевые пары (явления, известного как резонанс на темных полосах — dark-line resonance) с узким пиком передачи [8].

Ученые Honeywell продолжают и далее расширять границы применений МЭМС, разрабатывая ВЧ МЭМС (переключатели и фильтры, микросистемы с набором функций для коммуникации). Honeywell работает над разработкой и применениями МЭМС для гироскопов. МЭМС дают низкую цену и меньший размер систем коммуникации и навигации, новые возможности, высокую надежность и более высокую точность работы.

Помимо предложений компонентов на основе технологий МЭМС и концептуальных

разработок, Honeywell предлагает клиентам фаундри-сервисы [9].

Для общего обзора состояния разработок МЭМС для High-End систем обзор профиля МЭМС-продукции одного такого лидирующего производителя, как Honeywell, может быть вполне достаточным. Но рыночная картина непрерывно меняется, есть и другие заслуживающие особого внимания предложения компонентов и особенности их применения, о чем будет рассказано в следующей статье. Но некоторую информацию можно получитьужесейчас —посредствомпрезента-ции с семинара, прошедшего летом в Москве на базе ЗАО «Радиант-Элком» [10]. ■

Литература

1. http://www.sysoeva.com/mems.htm

2. Сысоева С. Ключевые сегменты рынка МЭМС-компонентов. Инерциальные системы — от Low-End до High-End // Компоненты и технологии. 2010. № 5.

3. www.isuppli.com

4. www.honeywell.com

5. www.inertialsensor.com

6. http://www.inertialsensor.com/navigation-matrix.shtml

7. www.igsllc.com

8. http://www51.honeywell.com/aero/technology/ key-technologies2/avionics3/csac.html? c=

9. www.memsservices.com

10. www.sysoeva.com/Media_30_jun/ Presentation_30_jun.pptx