NEMS-гироскоп от CEA-Leti на частоте 50 кГц

Изображение M&NEMS-гироскопа, работающего на частоте 50 кГц под микроскопом

Гироскопы работают на определенной резонансной частоте. Когда эта частота и частота колебаний в окружающей среде слишком близки, измерения могут искажаться. Французская компания CEA-Leti и Миланский технический университет заявили, что решили эту проблему, разработав гироскоп, работающий на высоких частотах (порядка 50 кГц). Рабочий диапазон частот этого гироскопа находится за пределами частот вибраций, возникающих в автомобильных, аэрокосмических и промышленных сценариях использования.

«Это первый настолько производительный гироскоп, что он позволяет определять отклонения менее чем на градус в час», – сказал Филипп Робер, менеджер по развитию бизнеса в области микроэлектромеханических систем и старший эксперт в CEA-Leti. «Все это стало возможным благодаря нанодатчикам».

Обнаружение с помощью нанодатчиков

За последние 10 лет сформировался большой спрос на недорогие и миниатюрные инерциальные датчики – гироскопы и акселерометры. Чтобы уменьшить датчики без снижения чувствительности и разрешающей способности, инженеры CEA-Leti разработали концепцию пьезорезистивных измерений с помощью кремниевых нанодатчиков. Технология M&NEMS, основанная на 25 патентах, объединяет нано- и микроэлектромеханические технологии. В этой технологии используется тонкий слой с детекторами (пьезорезистивный нанодатчик), толстый слой, определяющий внутреннюю массу и деформируемые пружины.

Использование нанодатчиков позволило повысить концентрацию напряжения, а позже «мы поняли, что в новой архитектуре датчиков можно реализовать три степени свободы». – сказал Робер.

Шесть лет назад Leti начала работать с Миланским техническим университетом в рамках проекта, финансируемого Европейским Союзом. Проект Nirvana был направлен на разработку усовершенствованных 9-осевых инерциальных микродатчиков (3D-гироскопы, 3D-акселерометры и 3D-магнитометры) на основе кремниевых нанопроволок для потребительских и автомобильных приложений, а также 3-осевого гироскопа для медицинских приложений. Миланский технический университет и CEA-Leti также совместно работали над созданием MEMS-гироскопа. CEA-Leti также отвечала за разработку и производство акселерометра и магнитометра.

Проект продемонстрировал многообещающие результаты работы гироскопа с точки зрения определения смещений и показателей шума и линейности. После завершения работы над проектом CEA-Leti и Миланский технический университет решили продолжить свои исследования, используя собственные средства. «Нам не удалось заключить промышленный контракт, но мы всем сердцем верили в свое дело и продолжали сотрудничать», — сказал Робер. «Со временем мы поняли, что одна из интересных особенностей использования нанодатчиков в гироскопах – возможность поддерживать высокий уровень производительности даже при увеличении резонансной частоты датчиков».
Емкостные против пьезорезистивных

В M&NEMS-гироскопе пьезорезистивные нанодатчики используются не только для определения скорости вращения, но и для обнаружения движения.

Современные маломощные гироскопы MEMS основаны на емкостных датчиках. «Проблема с емкостным обнаружением заключается в том, что оно обнаруживает смещение, а когда вы хотите работать с высокими резонансными частотами, конструкции становятся жестче», — сказал Робер. Тем не менее, «чем жестче конструкция, тем меньше она деформируется».

Далее Робер отметил, что с помощью нанодатчиков измеряется „не смещение, а напряжение. Мы экспериментально показали, что можно повышать резонансную частоту без потери производительности. Нам даже удалось улучшить датчик“. По словам Робера, это значительное преимущество, поскольку почти все гироскопы чувствительны к вибрациям, и когда вибрация сравнивается с резонансной частотой датчика – он теряет информацию.

Чувствительные к вибрациям среды

Чтобы поддерживать приемлемую чувствительность, обычные гироскопы должны работать на относительно низкой частоте (15-20 кГц). В самолете или автомобиле колебания окружающей среды часто превышают 20 кГц. Основываясь на сведениях, полученных из обсуждений с автопроизводителями, СEA-Leti и Миланский технический университет работали над гироскопом, резонансная частота которого выходит за пределы этого спектра, что могло позволить ему «стать нечувствительным к окружающей среде». По словам Робера, их гироскоп, работающий на частотах порядка 50 кГц, по распознаванию смещения и показателям шума/линейности превосходит современные аналоги.

В автомобильных сценариях использования гироскопы должны быть способны обнаруживать отклонение на один градус в час (то есть скорость вращения примерно в десять раз медленнее, чем у Земли) в средах, которые подвергаются сильным и постоянным вибрациям. Автомобилям (особенно беспилотным) нельзя терять навигацию, даже если они больше не могут принимать сигнал GPS (например, в туннелях или каменных джунглях). „Нам нужна резервная навигационная система с высокой чувствительностью и высоким разрешением“, – сказал Робер. „Мы доказали, что можем ее создать“.

Гироскоп с рабочей частотой около 50 кГц и площадью основания 1,45 мм² в результате тестов продемонстрировал масштабный коэффициент, равный 1,3°/с/√Гц и стабильность 0,5°, подтверждая теоретические оценки. „Нам удалось совместить небольшой размер, низкую стоимость, производительность и совместимость с другими датчиками“, — сказал Робер.

»Наша технология применима во всех приложениях, в том числе и потребительских, но действительно выделиться наше устройство может в сценариях использования с сильными вибрациями – в промышленных, автомобильных, аэрокосмических и военных”.

Передача технологии

Технология является передовой, и «наша цель — найти промышленных партнеров для дальнейшего развития», — сказал Робер. «Ряд производителей MEMS-устройств в Европе и Азии проявили интерес, но передача стоит дорого и произойдет только тогда, когда у нас будет крупный промышленный партнер. В настоящее время мы работаем над акселерометрами и датчиками давления, в рамках этих проектов промышленные партнеры у нас уже есть».

Технология готова к передаче. Тем не менее, Робер признал, что до полноценного выпуска еще предстоит немало работы. «У нашего решения пока невысокий уровень готовности. Это значит, что мы доказали работоспособность технологии, но нам нужно улучшать архитектуру чипов и поработать над интеграцией».

Также Робер сказал, что в зависимости от области применения и конкретных потребностей партнеров запуск производства и выпуск конечного продукта могут занять от одного до трех лет.

Параллельно Миланский технический университет и CEA-Leti продолжают свои исследования. Они заявили, что только что достигли нового рубежа производительности, но не хотят обсуждать его, пока он не будет подтвержден экспериментально. «С точки зрения разработки компонентов, идея состоит в том, чтобы продолжать повышать производительность. Что касается погрешности, то сейчас она равно 0.5° в час, наша цель – снизить ее до 0,1 ° в час», – заключил Робер.

• Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров
• В современном автомобиле строк кода больше чем…
• Бесплатные онлайн-курсы по Automotive, Aerospace, робототехнике и инженерии (50+)
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive