Гироскопы и модули Sensonor
Компания Sensonor (Норвегия) с 1985 года ведет работы в области разработки и производства кремниевых МЭМС датчиков. Компанией созданы уникальные технологии разработки и изготовления гироскопов и гироскопических модулей на основе МЭМС-технологий. Технология изготовления чувствительного элемента гироскопа Sensonor представляет собой комбинацию монокристаллического кремния и боросиликатного стекла.
Конструкция гироскопов Sensonor
Чувствительный элемент гироскопического датчика изготавливается по собственной технологии Sensonor – ButterflyGyro. Чувствительный элемент ButterflyGyro построен по схеме камертонного вибрационного гироскопа, характеризуется применением сдвоенной симметричной инерциальной массы, которая находится в полости низкого давления и выполнена из одного кристалла кремния.
Одни и те же электроды служат для возбуждения колебаний инерциальной массы и измерения емкости, соответствующей входному вращению. Площадь чувствительного элемента всего 3,1×2,4 мм.
Рис. 3. Чувствительный элемент ButterflyGyro
Инерциальные массы соединены между собой стержнем, имеющим несимметричное поперечное сечение. Такая форма связи обеспечивает вращательные колебания возбуждения инерциальных масс при воздействии перпендикулярных (относительно плоскости масс) электростатических сил. Благодаря форме инерциальных масс входное вращение приводит к появлению сил Кориолиса, которые вызывают колебания масс, перпендикулярные относительно оси возбуждения. Наведенные колебания измеряются емкостным принципом. Таким образом, в конструкции чувствительного элемента сочетаются относительная простота изготовления структуры инерциальных масс методом объемной микрообработки кремния и высокая гироскопическая чувствительность.
Симметричная форма инерциальных масс и подключение электродов возбуждения и измерения крест-накрест обеспечивают работу в балансном противофазном режиме вибраций. Такой режим, как по оси возбуждения, так и по оси измерения, делает гироскоп малочувствительным к внешним вибрациям, ограничивает влияние смещения и улучшает добротность.
| Рис. 4. Распределение электродов чувствительного элемента |
В настоящее время Sensonor выпускает МЭМС гироскопы SAR100 и SAR150 (табл. 1), высокоточные гироскопические модули STIM202 и STIM210, а также инерциальные измерительные устройства (англ. - IMU) STIM300.
Гироскопические датчики SAR100 и SAR150 представляют собой элементы ButterflyGyro, схему обработки сигналов и датчик температуры, заключенные в герметичном корпусе LCC, который может противостоять ударам до 5000g без деградации характеристик. Датчики SAR поставляются с различными диапазонами угловых скоростей, выходной сигнал – цифровой SPI код, встроенная схема обработки реализует функции диагностики и цифровой фильтр нижних частот.
Таблица 1. Параметры гироскопов SAR100 и SAR150
| Модель | Диапазон, °/с | Формат данных выходного интерфейса | Масштабный коэффициент, °/с / бит | Нестабильность смещения, °/ч | Угловой случайный уход, °/√ч | Частота дискретизации, выборок в секунду | Рабочая температура, ºС |
| SAR100 | ±400 | SPI, 12 бит | 0,25 | 1,80 | -40…+125 | ||
| ±250 | 0,25 | 1,80 | |||||
| ±100 | 0,10 | 1,20 | |||||
| SAR150 | ±250 | 0,25 | 0,80 | ||||
| ±100 | 0,10 | 0,65 |
Компактные гироскопические модули STIM202 и STIM210 (табл. 2) разработаны для реализации измерений угловых скоростей по одной, двум или трем ортогональным осям с выдачей данных по стандартному интерфейсу RS-422. Такая конструкция обеспечивает простую интеграцию модулей в различные системы благодаря широким возможностям по настройке параметров и подключению напрямую к компьютеру.
Высокие значения характеристик модулей позволяют применять их в различных ИНС и бортовых системах ориентации и стабилизации платформ.
Внутренняя конструкция модулей STIM202 включает в себя демпферы ударных нагрузок и вибраций для реализации измерений в приложениях, подверженным таким воздействиям.
Цифровая обработка данных производится внутри модулей и позволяет пользователю изменять конфигурацию устройства, например, менять настройки фильтров, частоту выборки, состав выходных данных, выходные форматы.
Инерциальное измерительное устройство STIM300 создано на базе модуля STIM210, для обеспечения такой же компактности и простоты интеграции при существенном расширении объема выдаваемой информации. Каждое устройство этого типа содержит в себе 3 гироскопа, три акселерометра и три инклинометра в одном корпусе и характеризуется малыми массо-габаритными характеристиками и низким энергопотреблением.
Характеристики устройства:
- нестабильность смещения 0,5°/ч;
- угловой случайный уход (шум) 0,15°/√ч - для гироскопов;
- нестабильность смещения 5 g-3 - для акселерометров;
- вес 55 г;
- объем 35 см3.
Благодаря своим параметрам STIM300 позволяет реализовать приложения, где размеры, вес и энергопотребление являются критическими при обеспечении высоких точностных характеристик и широкого функционала.
Все изделия Sensonor проходят многоэтапную калибровку, которая включает в себя измерения среднеквадратичных отклонений при отсутствии вращения, измерения температурных зависимостей отклонений отдельно для каждой оси. Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти микроконтроллера гироскопа и используются при обработке данных.