Cовременное тестовое оборудование и технологии
Рус Eng

25-07
2011
Изделия на основе МЭМС и специфика их применения

В течение последних нескольких лет ООО «Совтест АТЕ» наибольшее внимание уделяет развитию проектов, связанных с применением современных МЭМС-технологий. Компания на протяжении длительного времени сотрудничает с множеством российских предприятий, специализирующихся в области микроэлектромеханических систем и изделий на их основе (в том числе различных МЭМС-сенсоров). Уже сегодня ООО «Совтест АТЕ» может представить ряд разработок, которые были произведены для российских предприятий на основе тесного сотрудничества с зарубежными институтами, такими как Fraunhofer.
Для того чтобы быть в курсе последних инновационных решений и разработок, «Совтест АТЕ» осуществляет постоянный мониторинг деятельности крупнейших предприятий и организаций МЭМС-индустрии. С появлением «Русской Ассоциации МЭМС» (далее – «РАМЭМС», прим.авт.) данный процесс стал значительно проще. Теперь специалисты компании тратят гораздо меньшее количество времени на мониторинг, а также поиск партнеров и новых решений. Это стало возможным, так как зарубежные разработчики активно сотрудничают с «РАМЭМС» и под ее эгидой готовы работать в кооперации с российскими производителями.
Положительным примером подобного взаимодействия является проект по разработке прототипа двухосевой инерциальной измерительной системы, реализованный на базе ООО «Совтест АТЕ». Первоначально перед специалистами компании стояло несколько важных вопросов:
1. Кто сможет оказать помощь в разработке уникальной современной технологии?
2. На базе какого предприятия возможно осуществить процесс изготовления прототипа изделия?
3. Где испытать и провести аттестацию полученной системы?
Благодаря «Русской Ассоциацией МЭМС» были найдены оптимальные пути решения данных задач, и в итоге совместными усилиями была разработана двухосевая инерциальная измерительная система.

МЭМС-устройства в инерциальной навигации

Под инерциальной навигацией понимают метод определения координат и параметров движения различных объектов (судов, самолётов, ракет и др.), а также способ управления их движением, основанный на свойствах инерции тел, при помощи  автономных акселерометров и гироскопов. Угловое пространственное положение и Система Отсчета Курса, более известные как AHRS или инерциальная курсовертикаль (ИКВ), являются трехосными датчиками, предоставляющими  информацию о направлении, угловом пространственном положении и повороте в горизонтальной плоскости объекта, передвигающегося в пространстве.  
Инерциальная Курсовертикаль – это прибор, позволяющий получать данные об углах между географической системой координат (ГСК) и связной системой координат (ССК). Начальная точка данной системы совпадает с начальной точкой ГСК. Оси соответствуют, как правило, в следующем порядке: Y – продольной, Z — вертикальной, X – перепендекулярной им боковой оси движущегося объекта, на котором установлена курсовертикаль. Технически Курсовертикаль чаще всего реализуется как гировертикаль и датчик курса, также сделанный на основе гироскопа и иногда корректируемый, например, показаниями приёмника GPS.
AHRS (ИКВ) были специально разработаны для замены традиционных механических гироскопических пилотажных приборов, чтобы обеспечить гораздо более высокую степень надежности и точности. Данный прибор состоит из твердотельных или MEMS-гироскопов, акселерометров и магнитометров, размещенных на всех трех осях. Некоторые AHRS используют приемники GPS для улучшения долговременной стабильности гироскопов, а использование Фильтра Кальмана позволяет получать оптимальную оценку системных переменных по выполненным измерениям (Рис. 1).

Рис.1 Инерциальная Курсовертикаль (AHRS)

При работе с инерционными навигационными системами требуется вводить начальные данные по координатам пункта старта (локальный географический ориентир) и линейной опоры корпуса самолета. Этот процесс является необходимым для ориентирования инерционных измерителей. Для установки начальных условий инерциальная система координат проходит процесс самоцентровки, чтобы выровнять локальный уровень системы координат с ускорением (выравнивание), и проводит измерение горизонтальной скорости прецессии для определения начального азимута (гироскопическое ориентирование).
В случае, когда изначальное угловое пространственное положение транспортного средства известно и гироскоп обеспечивает точное считывание данных, достаточно одного процессора определения положения. Однако изначальное угловое пространственное положение редко бывает известно, а гироскоп обычно дает искаженные данные, обусловленные дрейфом нуля и нестабильностью включения. Таким образом, и гироскоп, и акселерометр подвержены смещению и эффекту дрейфа нуля, погрешности рассогласования,  ошибке ускорения (г-чувствительны), нелинейным эффектам (уровень второго порядка или VRE) и погрешности масштабного  коэффициента. Магнитометры также восприимчивы к магнитным помехам, которые искажают их измерения вследствие изменений магнитного поля Земли. Указанные ошибки учитываются при настройке системы.
Наибольшая погрешность  в AHRS связана со смещением гироскопа. Без применения фильтра и отдельных независимых измерений в акселерометрах, гироскопах и магнитометрах процессор определения отношения отклоняется от истинной траектории. Компонент исправления отношения фильтра Кальмана  калибрует  гироскопы в процессе работы, обеспечивая исправление траектории процессора, определение отношения и характеристик смещения гироскопа. Акселерометры определяют угол наклона тела, используя силу тяжести, а магнитометры определяют  начало отсчета курса, используя вектор магнитного поля Земли.

Функция акселерометра в AHRS

Назначение акселерометра в применении AHRS –  обеспечить начальный отсчет углового положения (выравнивание) и коррекцию пространственного положения во время полета путем исправления дрейфа гироскопа. На сегодняшний день на рынке существуют различные типы решений AHRS. Так, высокоточные системы используют Кольцевой Лазерный Гироскоп (RLG) или Волокно-оптический Гироскоп (FOG). Данные приборы используются в полетах с применением автоматической системы управления и должны быть предельно точными, чтобы предотвратить столкновение больших крыльев самолета с землей во время взлета и приземления, особенно при экстремальных погодных условиях и тумане (Рис. 2).

Рис. 2 Применение акселерометров в космических навигационных системах
 

Для данного применения обычно требуется акселерометр со стабильностью смещения менее, чем 2 мg по всем условиям, включая диапазон температуры, линейность, эффекты второго порядка.
Доступные AHRS низкого уровня используются пилотами при наблюдении и не требуют высокой эффективности. Этот тип AHRS очень часто применяется в маленьких гражданских самолетах и некоторых беспилотных летательных аппаратах (UAVs). Для этих случаев подходят бюджетные MEMS-акселерометр и гироскоп.
Диапазон акселерометра зависит от назначения. Для высоких и средних эксплуатационных характеристик обычно используются AHRS с 10 g-диапазоном;  что касается датчиков более низкого уровня, то для них подходит AHRS с диапазоном 5 g.

МЭМС-акселерометры в системах контроля процесса бурения

Известны  решения, которые основаны на базе емкостных технологий. При этом ёмкостные микроэлектромеханические акселерометры имеют свои сферы применения. Так, сегодня высокие технологии активно и успешно используются в процессе подземного бурения, особенно в условиях относительно больших вибраций, а также в температурных и коррозийных средах.
Цель бурения состоит в создании подземных скважин в различных грунтах на земле или дне моря с использованием ряда методов (в зависимости от формы или строения грунта). Данный процесс предназначен для дальнейшей разведки, контроля или эксплуатации месторождения. Существуют различные типы технологий бурения, такие как обычное или наклонное. Посредством их использования достигается получение мелкого скального щебня или буровой пробы (керн) соответственно.

Рис.3 Мобильные установки для бурения
Рис.4 Платформа для бурения в море
 

Бурение при разработке месторождений

В данном случае главная цель буровых работ заключается в том, чтобы отобрать образец грунта на глубине до 500 м (1650 футов) и точно оценить строение грунта для дальнейшей возможной разработки скважины и ее эксплуатации. Бурение также широко используется на дегазации угольных пластов. Затраты на бурение могут составлять почти половину полной стоимости эксплуатации месторождения, имеющего обычно несколько сотен пробуренных скважин. В таких случаях используются датчики, точно определяющие ориентацию и глубину пробуренных скважин, что позволяет создавать точную карту месторождения.

Бурение с целью добычи нефти и газа

Современные акселерометры используются в различных технологиях добычи нефти и газа.
•     При стандартном статическом контроле скважин – с целью оценить и картографировать существующую скважину сразу после бурения или через какое-то время.
•     В динамическом направленном бурении – для достижения больших подземных участков с локальной платформы (например, океанской платформы) или соединения ствола скважины с основным  резервуаром  месторождения (например, горизонтальное бурение через продуктивный горизонт).
•    Данные приборы также применяются во время бурения (MWD), которое выполняется в жестких условиях окружающей среды и требует направлять бурильную головку в заданный район. Для подобных измерений необходимы прочные, высокоточные и стойкие к высокой температуре датчики.
•    В технологии бурения сейсморазведочных стволов скважин, их нижних ответвлений и пересечений применяются сейсмические МЭМС-датчики, имеющие высокую разрешающую способность. Это означает, что возможно осуществить точную локализацию залежей до глубины более 5000 м (16500 футов), требующую точного направленного бурения для попадания в район ожидаемого размещения резервуара.

Горизонтально направленное бурение (HDD)

Подобные методы используются для направленного бурения с поверхности земли под реками или широкими дорогами, а также для создания туннелей, прокладки водопроводных труб  или телекоммуникационных кабелей, коллекторных сетей, газопроводов, силовых кабелей и т.п. в городских районах. В этих случаях для достижения высокой точности требуются датчики, обладающие высокой стабильностью.
Для достижения различных целей широко используется каротаж. Сейсморазведка необходима для проведения мониторинга месторождения и в геофизике (контроль землетрясения), поскольку измерение угла наклона может использоваться для оценки подземной стабильности грунта в течение времени. В зависимости от вида выполняемых измерений требуются различные классы и типы датчиков, такие как сейсмические, датчики вибраций или угла наклона. Данные области применения характеризуются жесткими условиями окружающей среды (вибрация и удары) и высокой температурой, что представляет идеальное использование МЭМС-технологии.
По оценкам экспертов, при разработке более 50 % новых скважин используются следующие технологии:
- управляемые системы бурения с гидравлическим забойным двигателем;
- управляемые системы роторного бурения.

Рис.5 Управляемая система роторного бурения

Другие технологии бурения используются в зависимости от структуры грунта и его строения, а также диаметра скважин или ее глубины. Могут применяться следующие типовые решения:
- бурение с непосредственным проталкиванием (давлением) без вращения;
- буровой ротор, вращаемый квадратной или шестигранной трубой на буровой площадке;
- привод, расположенный на поверхности и обеспечивающий вращение и циркуляцию в верхней части бурильной колонны;
- система «Sonic», использующая  в основном энергию вибрации для перемещения бурильной колонны;
- система «Hammer», использующая вращение и энергию удара;
- вращательное бурение с применением воздушной ударной волны (RAB).
Учитывая различные применения методов бурения и требования к измерениям, необходимо выбирать из трех главных разновидностей решений на базе акселерометров.
Направление бурильной головки
Задача состоит в том, чтобы активно направлять бурильную головку в конечную позицию бурения. Эта операция подобна наведению летящего объекта, и система наведения включает инерциальный измерительный блок, состоящий из трех гироскопов и трех акселерометров для непрерывного отслеживания положения головки во время бурения.


Измерение угла наклона во время каротажа

В зависимости от ожидаемой точности и напряженности магнитного поля в конкретном месте возможно использование двух методов для определения угла наклона и азимута в нижней части скважины. Первый – самый простой метод – включает использование трехкоординатного магнитометра и трехкоординатного акселерометра и определяет ориентацию бурильной головки. При втором применяется более сложное устройство, включающее трехкоординатный гироскопический модуль в дополнение к магнитометрам и акселерометрам для контроля вращения во времени. Во всех данных устройствах повышенная стабильность датчиков позволяет уменьшить количество точек измерения, необходимых для точного мониторинга скважины, и, следовательно, сократить затраты на проведение каротажа.


Сейсмические измерения


В ряде особых случаев точные сейсмические измерения могут быть выполнены под землей. Это поможет исключить влияние человека и повысить чувствительность измерений. Данный метод используется, например, для перекрестных скважин, сейсмических измерений в процессе бурения, при мониторинге месторождения, при извлечении нефти/газа или при мониторинге землетрясения. Для выполнения точных измерений требуются датчики с очень низким уровнем шума на уровне технических требований сейсмоприемников (геофонов).

МЭМС-устройства в железнодорожной технике

Акселерометры для железнодорожной техники находят свое применение в реализации следующих функций:
- управление наклоном высокоскоростных поездов для повышения комфорта пассажиров;
- мониторинг и диагностика ходовой части (состояние колес и шасси поезда, вероятность схода с рельсов и т.п.);
- системы контроля поездов на магнитной подушке;
- мониторинг  железнодорожных путей на предмет безопасности и необходимости технического обслуживания.

Микропомпы

В процессе сотрудничества с «Русской Ассоциацией МЭМС» компания ООО «Совтест АТЕ» открыла ряд уникальных разработок, которые сегодня активно используются за рубежом и представляют огромный интерес для российских предприятий. Одним из таких решений является микропомпа. Благодаря использованию современных прогрессивных технологий удалось получить самую миниатюрную микропомпу, которая успешно применяется в различных сферах. Например, в медицине для дозированной подачи лекарств в локальную зону. Это особенно актуально при лечении раковых заболеваний, когда необходимо подавать лекарство микродозами в область опухоли. Подобное изделие принесет огромную пользу при лечении различных травм, так как микропомпа может быть легко помещена в человеческое тело.
Дозированная подача жидкостей важна не только в медицине. Пьезоэлектрическая управляемая диафрагменная микропомпа имеет пассивные контрольные клапаны и целиком изготавливается из кремния.  Устойчивая к пузырению, самовсасывающая микропомпа предназначена для перекачки жидкостей и газов. Учитывая маленькие размеры помпы, прибор находит свое применение в таких устройствах, для которых предъявляются определенные требования к минимальным размерам и высокой степени интеграции в жидкостные системы.

Рис.6 Микропомпа

Низковольтный радиочастотный МЭМС-переключатель

Устройство представляет собой однополюсный  переключатель на два направления (SPDT) , предназначенный для работы на радиочастотах. Данные радиочастотные МЭМС-переключатели изготавливаются с использованием передовых технологий поверхностной микрообработки и установки пассивных элементов над интегральной схемой (above-IC и above-IPD-методы). Компания-производитель разработала и запатентовала технологию производства гибкой н-образной мембраны с двумя контактами, на конце которых располагаются актуационные элементы. Выгибаясь под действием электростатических сил, мембрана действует в качестве переключателя радиочастотных сигналов.
Ключевые характеристики радиочастотных МЭМС, разрабатываемых по данной технологии:
- низкая стоимость технологического процесса,
- микроскопические размеры устройства,
- работа на низком напряжении,
- отсутствие необходимости подключения к постоянному току,
- долгий срок службы,
- контактное усилие  >100μН и усилие отрыва >100μН,
- возможность установки устройств на стеклянную, сапфировую, арсенид-галлиевую, кремниево-германиевую подложку.
Данная технология позволяет разрабатывать РЧ-переключатели, цифровые и другие виды конденсаторов.
Сегодня большой интерес на потребительском рынке вызывают решения с использованием миниатюрных датчиков температуры, влажности и т.д. В связи с этим при поддержке «Русской Ассоциации МЭМС» ООО «Совтест АТЕ» реализует ряд проектов с использованием RFID-технологий и температурных датчиков. Данные решения представляют интерес в области транспортировки и хранения продуктов питания и различных видов жидкостей.
Решения заключаются в использовании RFID-меток с микротемпературными датчиками температуры. Подобная метка может снимать температурные показания окружающей среды через определенный интервал времени. Далее эту информацию можно расшифровать при помощи специальных считывателей.  Таким образом, появляется возможность отслеживать условия транспортировки и хранения различных товаров. Изготовить компактную RFID-метку с функцией записи условий хранения позволило наличие миниатюрного температурного датчика.

Датчик влажности и температуры

Основные особенности устроийства:
- полная калибровка,
- наличие цифрового выхода и I2C-интерфейса,
- низкое энергопотребление,
- долгий срок службы,
- корпус DFN - пайка расплавлением дозированного припоя.
Данный датчик температуры и влажности может установить новые стандарты по размерам и «интеллектуальности» МЭМС. Встроенный в корпус DFN площадью всего 3х3 мм и высотой 1,1 мм датчик обеспечивает передачу калиброванных,  линеаризованных сигналов в цифровом I2C-формате. Благодаря оснащенности усовершенствованным кристаллом (новейшая разработка компании-производителя), а также доработанным емкостным датчиком относительной влажности и улучшенным температурным пороговым датчиком рабочие характеристики сенсора достигли очень высокого уровня.
Проведенные исследования показали, что новый датчик работает еще более стабильно при высоком уровне влажности.  Каждый сенсор подвергается индивидуальной калибровке и тестированию. Идентификационный номер печатается непосредственно на корпусе датчика, и еще один идентификационный код хранится в памяти кристалла и может быть прочитан в случае необходимости. Кроме того, новая модель датчика имеет более высокое разрешение, чем у предыдущего поколения сенсоров данной серии (до 12-14 бит RH/T), а также индикатор низкого заряда батареи и поле Checksum. Помимо произведенных технических усовершенствований и миниатюризации сенсора, соотношение «цена-качество» теперь еще более привлекательно для потребителей; а при его эксплуатации в энергосберегающем режиме может быть получена существенная экономия.

Рис.7 Температурный МЭМС-датчик
 

Помимо емкостного датчика относительной влажности  и температурного порогового датчика кристалл сенсора имеет встроенный амплификатор,  A/D-конвертер, единожды программируемую память и блок цифровой обработки. В то время как сам датчик изготавливается из кремния, его корпус представляет собой плакированную медью выводную рамку с покрытием на основе зеленой эпоксидной смолы. Устройство отвечает требованиям RoHS и WEEE, не содержит свинца, кадмия и ртути.

Выводы

В данной статье были рассмотрены различные решения в сфере МЭМС-устройств, многие из которых могут быть разработаны и поставлены на российскую производственную основу при помощи «Русской Ассоциации МЭМС». Таким образом, работая в кооперации с «Русской Ассоциацией МЭМС» российские компании получают возможность использовать богатый опыт зарубежных коллег и применять их разработки в области МЭМС и различных миниатюрных датчиков. В качестве примера подобного сотрудничества можно привести опыт предприятия  «Совтест АТЕ», которое поставляет различные изделия на основе МЭМС на российский рынок и обеспечивает трансферт технологий по производству подобных систем в России.

Получите подробную информацию о технических характеристиках, ценах и условиях поставки оборудования, направив официальный запрос с сайта.

Отправить запрос