Критерии выбора акселерометров для инерциального измерительного блока

The results of investigations and comparative tests of Si-flex and Q-flex accelerometers in the inertial measurement unit are analyzed. The advantages and the problems of the above accelerometers connected with pendulum material are described and its influence on the accelerometers accuracy parameters as well as inertial measurement unit’s accuracy class are discussed.

Ключевые слова: кремниевый акселерометр, кварцевый акселерометр, инерциальный измерительный блок.

Key words: Si-flex accelerometer, Q-flex accelerometer, inertial measurement unit.

Они находят широкое применение в различных отраслях, начиная с навигационной техники для космической, ракетной, авиационной отраслей и заканчивая нетрадиционными применениями в строительстве, в системах мониторинга в инклинометрах для измерения профиля нефтяных и газовых скважин в процессе бурения.

Конструктивные схемы кремниевых и кварцевых акселерометров схожи (см. рис. 1,2). Основными элементами конструкции являются маятниковый узел, состоящий из установочной рамки, упругого подвеса и лопасти, емкостной датчик угла и магнитоэлектрический датчик момента, который обеспечивает компенсацию отклонения лопасти маятника под воздействием ускорения [1,11]. Ключевую роль в различии характеристик двух типов акселерометров играет материал маятника. При этом следует иметь в виду главную особенность конструкционных материалов маятника. Она заключается в разности температурных коэффициентов расширения (ТКР) этих материалов. ТКР плавленого кварца практически равен ТКР материала магнитопровода магнитной системы акселерометра, выполненной из суперинвара 32НКД, в то время как ТКР кремния превышает его почти в 5 раз, что создает проблемы базирования кремниевых маятников на суперинваровых деталях. В то же время кремний имеет ряд очевидных технологических преимуществ перед кварцем, как в силу использования MEMS технологии, так и в силу дешевизны и доступности заготовок, в качестве которых используются стандартные кремниевые «вафли» электронной промышленности.

Рис. 1. Конструктивная схема кварцевого акселерометра: 1 - лопасть маятника; 2 - упругая балочка подвеса маятника; 3, 8 - магнитная система; 4 - катушка датчика силы; 5 – кольцо маятникового узла с установочными платиками; 6 - полюсный наконечник; 7 – постоянный магнит	Рис. 2. Конструктивная схема кремниевого акселерометра: 1 – лопасть маятника; 2 – упругая балочка подвеса маятника; 3, 7 - магнитная система; 4, 8 – кварцевые кольца; 5 – катушка датчика силы; 6 – рамка маятникового узла с установочными платиками

Сравнительный анализ особенностей кремниевых и кварцевых акселерометров, обусловленных конструкционными материалами
Более детальное сравнение свойств кварца и кремния дает возможность отметить следующие особенности приборов, обусловленные различием материалов [2-4]:

- модуль упругости кварца (107 ГПа) примерно в два раза меньше, чем у кремния (160 ГПа). Это позволяет при одинаковых прочностных свойствах упругого подвеса маятника иметь в два раза меньшую жесткость кварцевого подвеса по сравнению с кремниевым подвесом и по этой причине в два раза снизить требования в кварцевых приборах к величине временного и температурного дрейфа нуля усилителя компенсационного контура;

– теплопроводность кремния (157 Вт/(^oC·м)) многократно превышает теплопроводность кварца (1,38 Вт/(^oC·м)). По этой причине можно ожидать меньший перегрев лопасти и катушек у кремниевых маятников;

– кварц имеет ТКР = 0,55·10^-6 1/^oС против ТКР = 2,6·10^-6 1/^oС у кремния. По этой причине детали из кварца имеют значительно меньшее изменение размеров при изменении температуры по сравнению с деталями из кремния;

– ТКР кварца (0,55·10^-6 1/^oС) идеально сочетается с ТКР магнитопроводов из суперинвара 32НКД, равным 0,56·10^-6 1/^oС. Поэтому в акселерометрах с кварцевым маятником существенно проще решается проблема фиксации маятника и, следовательно, легче может быть обеспечена существенно более высокая стабильность смещения нуля;

– кремний также может хорошо сочетаться по ТКР с рядом инвароподобных сплавов, однако у выпускаемых промышленностью материалов, например 39Н, имеется паспортное значение ТКР, близкое к кремнию. Но разброс ТКР при допустимой разнице содержания никеля в сплаве 39Н от 38 % до 40 % даёт разброс ТКР от 2·10^-6 до 4·10^-6 1/^oС. Это приводит к существенным проблемам при базировании маятника и к связанной с этим проблеме нестабильности смещения нуля. Приемлемой для кремния парой является пирекс, но использование промежуточных слоев при соединении маятника с инваровыми деталями магнитопроводов приводит к усложнению конструкции акселерометра;

– кварц является изолятором, следовательно, его нельзя использовать без напыления электродов, применяемых в качестве подвижных электродов емкостного датчика угла и токоподводов к ним. Кремний обладает достаточной электропроводностью для использования его в качестве подвижного электрода емкостного датчика угла без дополнительного напыления электродов и токоподводов;

– маятник из монокристаллического кремния может изготавливаться методами, хорошо освоенными электронной промышленностью, и из стандартных заготовок. Обычно для кремния, легированного фосфором, применяется метод фотолитографии и жидкостного анизотропного травления в 33 %-ном водном растворе КОН при температуре от 100 ^оC до 107 ^оC. Иногда используется ионно-плазменное травление. Важно отметить, что процесс жидкого травления идет анизотропно, что позволяет обеспечить однозначное и точное соответствие используемых при фотолитографии шаблонов и формы изготавливаемых маятников. Анизотропное травление позволяет получить сложные формы упругого подвеса лопасти маятника (плоские балочки, крестовидные и Х-образные растяжки). Защитной пленкой при выполнении травления является слой окиси кремния, выращенный в окислительной среде (влажного кислорода) при температуре ~ 1100 … 1200 ^оC. Кремниевые заготовки - «вафли», используемые при изготовлении маятников, массово выпускаются предприятиями электронной промышленности и дешевы. Легко реализуется групповое изготовление маятников. Кварцевые маятники до последнего времени изготавливались индивидуально из специальных заготовок и потому были дороги. Появившиеся в настоящее время «вафли» из плавленого кварца допускают переход к групповой технологии. Но здесь технологический процесс существенно затруднен из-за необходимости многократного нанесения защитных пленок золота с хромовым подслоем (толщиной до 8 микрон) и проведения многократных фотолитографий. Иначе не удается получить требуемую форму упругой перемычки – процесс травления кварца в плавиковой кислоте идёт изотропно. Достигнутая форма упругого подвеса – плоская упругая балочка.

Таким образом, на сегодняшний день кремний является более технологичным материалом и позволяет получить более дешевую продукцию. Вместе с тем кремний уступает плавленому кварцу по возможности обеспечивать более высокие точностные характеристики приборов.

Из изложенного видно, что отдать приоритет одному или другому типу акселерометров для применения в конкретной системе не представляется возможным без проведения сравнительных испытаний приборов на основе как кремния, так и кварца.

Исходя из специфики применения ИИБ, требующей обеспечения малого времени готовности после подачи питания (как следствие – отсутствие термостата) в условиях широкого диапазона ускорений и температур, для ИИБ были выбраны маятниковые газонаполненные приборы. К ним относятся кварцевые акселерометры типа QA-2000, QA-3000, A-18, BA-3, АК-6, а также вновь разработанные АК-15, A-18Т и ААК-02.

Поскольку в изделии ИИБ невозможна калибровка по каналам акселерометров перед началом использования, важнейшую роль приобретает невоспроизводимость параметров акселерометров, а именно масштабного коэффициента, смещения нуля и двух углов, определяющих положение базовой плоскости. Ошибки тем более возрастают после воздействия предельных повышенных и пониженных температур, поскольку при этом складываются температурные гистерезисы параметров с кратковременными и долговременными нестабильностями.

Именно поэтому для первичной оценки пригодности акселерометров к применению в ИИБ были избраны невоспроизводимость вышеуказанных параметров после воздействия предельных как повышенных, так и пониженных температур.

Подробное исследование различных типов акселерометров приводится далее.
Анализ акселерометров для применения в ИИБ
В настоящее время имеются как серийно выпускаемые, так и вновь освоенные в производстве акселерометры, близкие по параметрам требованиям для акселерометров в ИИБ: невоспроизводимость масштабного коэффициента 9·10^-5 отн.ед., невоспроизводимость смещения нуля 8·10^-5 g, изменение углов ориентации базовой плоскости 40". Характеристики акселерометров по ТУ или рекламным проспектам приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики акселерометров по ТУ или рекламным проспектам

Наименование параметра	Ед. измер.	Требования к акселеро-метрам	А-18	АК-15	ВА-3	А-18Т	АК-6	Е1
Невоспроизводи-мость масштабного коэффициента	Отн. ед.	9·10-5	15·10-5	20·10-5	24·10-5	10·10-5	8·10-5	5·10-5
Невоспроизводи-мость смещения нуля	g	8·10-5	20·10-5	3·10-5	16·10-5	10·10-5	6·10-5	8·10-5
Изменение углов ориентации базовой плоскости	"	40	30	4	20	20	10	20
Диапазон измеряемых ускорений	g	40	40	20	50	40	20	50
Диапазон рабочих температур	оС	-50…+85	-60… +80	-60… +70	-55… +85	-50… +85	-60… +80	-55… +85
Материал маятника			кремний	кварц	кварц	кремний	кварц	кварц
Производитель			ИТТ	МИЭА	Электро-оптика	ИТТ	Серп.завод Металлист	Китай
Цена	тыс. руб.		190	210	250	250	220	130

Предварительные проверки акселерометров, представленных в таблице, показали, что их параметры не всегда соответствуют рекламируемым. Поэтому потребовалась разработка специальной методики для проведения их тщательного анализа в температурном диапазоне. Этой методикой предусматривается измерение невоспроизводимости параметров с высокой точностью в связи с тем, что данная характеристика не подлежит алгоритмической коррекции и окажет решающее влияние на точность канала акселерометров ИИБ.

Далее приводится описание разработанной методики и результаты измерений.

Методика испытаний акселерометров
При проведении испытаний на невоспроизводимость параметров была использована следующая методика, состоящая из 5 этапов.

Акселерометры закреплялись на делительной головке в камере тепла и холода. В камере устанавливалась температура +251 ^оС, и акселерометры выдерживались при этой температуре 2 часа. Затем акселерометры включались. Через 1,5 часа работы производилось измерение масштабного коэффициента, смещения нуля и углов отклонения базовой плоскости акселерометров. При этом по встроенному термодатчику контролировалась температура акселерометров. Погрешности измерения при этом составляли: по масштабному коэффициенту 0,5·10^-5 отн. ед., по смещению нуля 1·10^-5g, по углам отклонения базовой плоскости 10", по температуре 0,2 ^оС.

Затем акселерометры выключались, а в камере устанавливалась температура –501 ^оС, и акселерометры выдерживались при этой температуре 2 часа. После этого акселерометры включались на 1,5 ч при этой температуре, и производилось измерение значения масштабного коэффициента, смещения нуля и углов отклонения базовой плоскости.

Затем описанная процедура повторялась при температурах +251 ^оС, +751 ^оС, +251 ^оС с измерением масштабного коэффициента, смещения нуля и углов отклонения базовой плоскости акселерометров и контролем по встроенному термодатчику температуры акселерометров.

По пяти полученным для каждого акселерометра значениям рассчитывались температурная зависимость масштабного коэффициента, смещения нуля и углов отклонения базовой плоскости (полином второго порядка). Для трех значений при +251 ^оС рассчитывалась невоспроизводимость этих параметров, равная максимальному отклонению от температурной зависимости. Такая методика позволяет учесть все температурные погрешности до третьего порядка малости и обеспечить необходимую точность измерения в камере тепла и холода, имеющей погрешность установки температуры 1^оС.

Результаты испытаний конкретных акселерометров приведены в таблице 2. По каждому параметру указаны диапазоны значений, полученных для нескольких образцов акселерометров, которые одновременно участвовали в испытаниях.

Таблица 2

Характеристики акселерометров по результатам испытаний

Наименование параметра	Ед. измер.	А-18	АК-15	А-18Т	АК-6	Е1
Невоспроизводимость масштабного коэффициента	Отн.ед.	(10–15) · ·10-5	(16–18) · ·10-5	(3–5) · ·10-5	(3–7) · ·10-5	(1–24) · ·10-5
Невоспроизводимость смещения нуля	g	(15–19) · ·10-5	(1– 3) · ·10-5	(15–28) · ·10-5	(4–8) · ·10-5	(4–6) · ·10-5
Изменение углов ориентации базовой плоскости	"	20–32)	21–24)	9–13)	3–6)	10–12)

Заключение
Из всех представленных на испытания приборов ни один из акселерометров не соответствует полностью требованиям, предъявляемым к каналу акселерометров ИИБ, однако в разной степени.

Акселерометр АК-6 соответствует требованиям для ИИБ, за исключением диапазона измеряемых ускорений.

Акселерометр А-18 не соответствует требованиям для ИИБ по параметрам невоспроизводимости масштабного коэффициента, невоспроизводимости смещения нуля, изменению углов ориентации базовой плоскости.

Акселерометр АК-15 не соответствует требованиям для ИИБ по параметрам невоспроизводимости масштабного коэффициента и диапазону измеряемых ускорений.

Акселерометр Е1 не соответствует требованиям для прибора ИИБ по параметру невоспроизводимости масштабного коэффициента (пять приборов из шести). В то же время небольшая часть приборов E1 показывает исключительно высокие точностные характеристики, что свидетельствует, с одной стороны, об удачной конструкции, являющейся копией американского кварцевого акселерометра QA-3000, а с другой – о неотработанности технологии производства этих акселерометров.

Макет акселерометра А-18Т не соответствует требованиям для прибора ИИБ по параметру невоспроизводимости смещения нуля.

Необходимо отметить, что все испытанные акселерометры, кроме АК-6, А-18 и АК-15 реально не соответствуют указанным в рекламных проспектах и ТУ параметрам.

Выводы
Все акселерометры с маятником из кремния не соответствуют требованиям по параметру невоспроизводимости смещения нуля. Это, по-видимому, является недостатком, принципиально присущим акселерометрам с конструктивной схемой, используемой в А-18.

В то же время все акселерометры с маятником из кварца соответствуют требованиям по параметрам невоспроизводимости смещения нуля и изменения углов ориентации базовой плоскости, а остальные параметры весьма близки к требуемым.

Соответствие требованию по параметрам невоспроизводимости масштабного коэффициента и диапазону измеряемых ускорений для приборов с маятником из кварца определяется искусством конструктора и является вполне достижимым, особенно при использовании современных магнитов с малым температурным гистерезисом.

Организация группового изготовления кварцевых маятников из серийно выпускаемых кварцевых заготовок (вафель) большого диаметра при минимуме ручных операций с использованием MEMS технологий позволит устранить недостаток кварца по сравнению с кремнием – невозможность использования групповых технологий и существенно уменьшит стоимость кварцевых акселерометров по сравнению со сложившимися на российском рынке ценами. При этом отсутствие операций механической обработки маятников будет способствовать увеличению точности приборов.

1. 
   Коновалов С. Ф., Полынков А. В., Сео Дж. Б. и др. Опыт разработки малошумящего акселерометра // Гироскопия и навигация, 2000, №3(30), С. 68-77. ISSN 0869-7035.
   
2. 
   Коновалов С. Ф., Коновченко А. А., Межирицкий Е. Л. Компенсационный Si-flex акселерометр для измерения больших ускорений // Гироскопия и навигация. – 2006. - №2. – С. 44-51. ISSN 0869-7035.
   
3. 
   Peters R. B., Stoddard D. R., Meredith K. Development of a 125 g Quartz Flexure Accelerometer for the RIMU Program // AlliedSignal Electronic and Avionics Systems. Communication and Sensor Systems. IEEE. – 1998. –N1. – P. 17-24.
   
4. 
   Коновалов С. Ф., Полынков А. В., Сео Дж. Б. и др. Опыт разработки малошумящего акселерометра // Докл. VII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. - Санкт-Петербург, 2000. – С. 72-79.
   
5. 
   Пат. 2155964 С1 (РФ), МКИ7 G 01 P 15/13. Компенсационный маятниковый акселерометр / В. М. Прокофьев, С. Ф. Коновалов, Дже-Бом Сео и др.; Коновалов Сергей Феодосьевич. - №99113694/28; Заяв. 23.06.1999. // Открыт. Изобретения…. – 2000. - №25.
   
6. 
   Pat. 6422076 B1 (USA), Int. Cl.7 G 01 P 15/08. Compensation pendulous accelerometer / V. M. Prokofiev, S. F. Konovalov, Jae-Beom Seo et al; Agency For Defense Development, Taejon (KR); Sergei Feodosievich Konovalov, Moscow (RU). – No 09/598386; Jul. 23. 2002.
   
7. 
   Pat. 0336151 (Korea), Int. Cl. G 01 P 15/08. Compensation pendulous accelerometer // V. M. Prokofiev, S. F. Konovalov, Jae-Beom Seo et al; Konovalov Sergei Feodosievich. – Apr. 24.2002.
   
8. 
   Konovalov S. F., Polynkov A. V., Seo J. B. et al. Research of operability of accelerometers at high-G linear acceleration, vibrating and shock effects without using test centrifuges, vibration and shock test tables. // Paper. XIV Saint Petersburg international conference on integrated navigation systems. – Saint Petersburg, 2007. – P. 125-132.
   
9. 
   Коновалов С. Ф., Seo J. B. Причины неравномерного распределения магнитной индукции в зазорах компенсационных датчиков акселерометров типа Q-flex // Гироскопия и навигация. – 2009. – №2. – С. 72-79. ISSN 0869-7035.
   
10. 
    Коновалов С. Ф., Seo J. B. Распределение магнитного поля в кольцевом зазоре моментного датчика акселерометра типа Q-flex. // Тезисы доклада XXVI конференция памяти Н. Н. Острякова. Гироскопия и навигация. – 2008. – №4. – С. 67. ISSN 0869-7035.
    
11. 
    Сео Дже Бом. Оптимизация параметров и моделирование рабочих режимов в