Технологические вопросы. Микроактюаторы

3.3 Технологические вопросы. Микроактюаторы

Кремниевая объемная микрообработка включает технологию глубинного объемного травления. При таком процессе объемная структура получается внутри подложки благодаря ее анизотропным свойствам, т. е. различной скорости травления кристалла в зависимости от направления кристаллографических осей. Объемную структуру можно получить и методом наращивания, когда несколько подложек сплавляются и образуют вертикальные связи на атомарном уровне.

При поверхностной микромеханической обработке трехмерная структура образуется за счет последовательного наложения основных тонких пленок и удаления вспомогательных слоев в соответствии с требуемой топологией. Преимущество данной технологии - возможность многократного удаления (растворения) вспомогательных слоев без повреждения взаимосвязей базовых слоев. А главная ее особенность состоит в том, что она совместима с полупроводниковой технологией, поскольку для микрообработки используется обычная КМОП-технология [8].

Название технологии LIGA происходит от немецкой аббревиатуры Roentgen Lithography Galvanik Abformung, что означает комбинацию рентгеновской литографии, гальванотехники и прессовки (формовки). Здесь толстый фоторезистивный слой подвергается воздействию рентгеновских лучей (засветке) с последующим гальваническим осаждением высокопрофильных трехмерных структур. Сущность процесса заключается в использовании рентгеновского излучения от синхротрона для получения глубоких, с отвесными стенками топологических картин в полимерном материале. Излучение синхротрона имеет сверхмалый угол расходимости пучка. Источником излучения служат высокоэнергетические электроны (с энергией более 1 ГэВ), движущиеся с релятивистскими скоростями. Глубина проникновения излучения достигает нескольких миллиметров. Это обуславливает высокую эффективность экспонирования при малых временных затратах. Считается, что данная технология обеспечивает наилучшее отношение воспроизводимой ширины канала к его длине (при минимальных размерах).

Важнейшая составная часть большинства MEMS - микроактюатор. Обычно данное устройство преобразует энергию в управляемое движение. Размеры микроактюаторов могут довольно сильно варьироваться. Диапазон применения этих устройств чрезвычайно широк и при этом постоянно растет. Все методы активации (движение, деформация, приведение в действие) в таких устройствах кратко можно свести к следующим: электростатический, магнитный, пьезоэлектрический, гидравлический и тепловой. При оценке использования того или иного метода часто применяют законы пропорционального уменьшения размеров. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и гидравлический, хотя и другие имеют большое значение. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети микроактюаторов, и это, вероятно, наиболее общий и хорошо разработанный метод; главные его недостатки - износ и слипание. Магнитные микроактюаторы обычно требуют относительно большого электрического тока, также на микроскопическом уровне. При использовании электростатических методов активации получаемый выходной сигнал на относительную единицу размерности лучше, чем при использовании магнитных методов. Иными словами, при одном и том же размере электростатическое устройство выдает несколько лучший выходной сигнал. Тепловые микроактюаторы тоже потребляют относительно много электрической энергии; главный их недостаток состоит в том, что генерируемое тепло приходится рассеивать.

Для оценки микроактюаторов используют такие критерии качества, как линейность, точность, погрешность, повторяемость, разрешение, гистерезис, пороговое значение, люфт, шум, сдвиг, несущая способность, амплитуда, чувствительность, скорость, переходная характеристика, масштабируемость, выход по энергии [8].

Рассмотрим подробнее устройства, характеристики и принципы работы трех видов навигационных датчиков, спроектированных с использованием микроэлектромеханической технологии:

1. 
   датчики давления и их применение в составе электронных высотомеров,
   
2. 
   датчики угловых скоростей (ДУСы),
   
3. 
   акселерометры.
   

4 Применение датчиков давления в системах навигации ЛА

4.1 Высота полета и ее измерение

Любой навигационной системе, установленной на ЛА, необходимо определять свое положение относительно поверхности Земли. Применение электронного высотомера на основании датчика давления является эффективным решением данной проблемы в большом диапазоне высот.

4.1.1 Высота полета

Высотой полета принято называть расстояние до ЛА, отсчитанное по вертикали от некоторого уровня, принятого за начало отсчета. В воздухоплавании принята классификация высот полета по уровню начала отсчета (смотри рис. 4.1):

Рис. 4.1. Классификация высот полета по уровню начала отсчета

Истинная высота Н_ист отсчитывается от точки земной поверхности, находящейся под самолетом;

относительная Н_отн - от условного уровня (уровня аэродрома, цели и др.);

абсолютная Н_абс - от уровня моря;

высота эшелона Н_эш - от условного уровня, который соответствует стандартному атмосферному давлению 760 мм рт. ст. [9].

4.1.2 Способы измерения

Высота полета измеряется барометрическим, радиотехническим, инерциальным и электростатическим методами. Основными методами являются барометрический и радиотехнический.

С помощью радиовысотомера можно определить истинную высоту полета. Высота находится по времени прохождения радиоволнами расстояния, равного удвоенной истинной высоте полета, т.е.

,

(4.1)

где - скорость распространения радиоволн.

Радиовысотомеры обеспечивают высокую точность измерений. Их показания практически не зависят от метеоусловий и скорости полета, однако на практике они используются только как контрольные приборы, например в системе сигнализации опасного сближения с землей, и при посадке в сложных метеорологических условиях. Это объясняется тем, что при выдерживании определенной высоты полета по радиовысотомеру траектория полета летательного аппарата повторяет профиль рельефа местности, что неудобно для экипажа и пассажиров и становится одной из причин болтанки.

Поэтому основным прибором для определения высоты полета является барометрический высотомер [10].

4.1.3 Изменение атмосферного давления с высотой

Барометрический метод измерения высоты основан на использовании закономерного изменения атмосферного давления с высотой (смотри рис. 4.2) [11]. Зависимость давления воздуха от высоты до 11000 м выражается формулой:

(4.2)

Решая это уравнение относительно высоты, получим:

(4.3)

где

- газовая постоянная (29.27 м/град).

Из формулы видно, что измеряемая высота является функцией четырех параметров: давления на высоте полета , давления и температуры на уровне начала отсчета высоты и и температурного градиента [9].

Если принять параметры , и постоянными, то высоту можно определить как функцию атмосферного давления и проблема вычисления высоты сводится к проблеме измерения атмосферного давления. Давление на высоте полета можно измерить непосредственно на самолете с помощью барометра (анероида).

Рис. 4.2. Изменение атмосферного давления с высотой

жүктеу/скачать 2.55 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: