Андрей Кашкаров
Микроэлектромеханические системы и элементы
© Кашкаров А. П., 2018
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2018
К читателю
Монтировать, обслуживать и эксплуатировать устройства, рассмотренные в этой книге и рекомендуемые к повторению, могут ответственные радиолюбители. Это лица, ознакомленные со всеми предупреждениями и замечаниями по безопасности, а также эксплуатационными и монтажными процедурами, изложенными в соответствующих инструкциях по охране труда и наставлениях (руководствах) по электробезопасности:
• лица, прошедшие обучение и получившие полномочия на монтаж, обслуживание и эксплуатацию электро– и радиооборудования и микромагнитоэлектронных систем с учетом требований правил техники безопасности;
• лица, прошедшие обучение и способные использовать все необходимые защитные средства;
• лица, прошедшие обучение и способные оказать пострадавшим от электрического тока первую (доврачебную) медицинскую помощь.
Надежная и безопасная работа рекомендуемых в книге устройств зависит от исправности радиокомпонентов, грамотной сборки, соблюдения правил выполнения монтажа (особенно в устройствах, где применяются полевые транзисторы с управляющим напряжением) и своевременного технического обслуживания (регламента) электронных устройств и систем.
Меры безопасности
Чтобы рекомендованные в книге устройства долго вам служили, необходимо соблюдать указания по технике безопасности.
Во избежание опасности возгорания и поражения электрическим током перед первым включением электрических устройств, питающихся от напряжения 220 В осветительной сети, а также после замены деталей необходимо при отключенном напряжении внимательно осмотреть монтажную плату с элементами, проверить правильность соединений (в соответствии с электрической схемой).
Подавать питание можно только после того, как вы удостоверитесь в правильности монтажа. Все устройства и узлы, рекомендованные читателям в этой книге, проверены автором на полное соответствие стандартам безопасности.
Автор не несет ответственности за повреждения устройств и травмы, полученные вследствие неправильной эксплуатации рекомендованных конструкций.
Авторские права
Информация, включенная в данную книгу, является собственностью автора и не может копироваться или тиражироваться любыми способами, любыми лицами и организациями без письменного разрешения автора и издателя, с которым заключен авторский договор.
Автор оставляет за собой право совершенствовать приведенные в книге радиоэлектронные устройства и узлы, внося в них изменения и дополнения, не ухудшающие их эксплуатационных характеристик, без предварительного уведомления читателей.
Автор (и издатель) не несут ответственности за любые убытки, как единовременные, так и последующие, вызванные наличием ошибок в монтаже, включая типографские, электронные, арифметические и другие ошибки.
Преимущество технологии МЭМС
Описание существующих и разрабатываемых типов гироскопических чувствительных элементов с использованием магнитоэлектронных и микроэлектромеханических систем заняло бы несколько увесистых томов и много часов драгоценного читательского внимания. Поэтому в этой книге в формате квинтэссенции приведены наиболее известные и современные датчики и системы, применяемые в различных областях техники, и не только электронной. Описаны физические основы функционирования преобразователей магнитного поля (ПМП). Рассматриваются особенности применения различных ПМП (элементов Холла, магниторезисторов и др.), приводятся схемы сопряжения приборов с внешними цепями и устройствами. Информация о принципах работы магниточувствительных (МЧМС) и магнитоуправляемых (МУМ) интегральных схем, а также об особенностях их применения с приведением функциональных схем, параметров и характеристик МЧМС и МУМ дана с опорой на проверенные источники.
1. Гироскопы и акселерометры
За несколько лет широкое распространение по всему миру получили датчики, основанные на микроэлектромеханических системах, называемых МЭМС. В этот ряд входят гироскопы и акселерометры. Популярность этих современных устройств в электронном исполнении обусловлена рядом факторов, основными из которых являются доступность и простота их использования, относительно низкая цена и малые габариты. МЭМС-датчики, как правило, оснащаются интегрированной электроникой обработки сигнала и не имеют движущихся частей, «результат показаний» таких датчиков нетрудно интерпретировать для различных устройств анализа данных и автоматики, устройств управления силовыми электрическими цепями. Высокая надежность и способность обеспечивать стабильные показания в жестких условиях окружающей среды (перепады температур, удары, влажность, вибрация, электромагнитные и высокочастотные помехи) – еще один качественный аргумент для использования электронных гироскопов и акселерометров на основе МЭМС-датчиков.
1.1. Описание и принцип действия гироскопа
Термин гироскоп происходит от «наблюдатель вращений» (от греч. gyros – круг, gyrou – кружусь, вращаюсь и scopeo – смотрю, наблюдаю), предложен в 1852 году французским ученым Леоном Фуко при изобретении прибора для демонстрации вращения Земли вокруг своей оси. Фуко поместил вращающийся маховик в некоторое устройство, называемое кардановым подвесом, поэтому долгое время слово гироскоп использовалось для обозначения быстро закрученного вращающегося симметричного твердого тела. По закону ньютоновой механики, скорость поворота оси гироскопа в пространстве обратно пропорциональна его собственной угловой скорости, и, следовательно, ось быстро закрученного гироскопа поворачивается столь медленно, что в отдельном интервале времени конструкцию используют в качестве указателя неизменного направления в пространстве. И хотя опыт с первым гироскопом оказался не вполне удачным, морские и военные применения гироскопов усовершенствовали первоначальную конструкцию Фуко весьма быстрыми темпами.
Примерно через полтора века гироскопами уже называли широкий класс приборов; сейчас термин гироскоп используется для названия устройств, содержащих материальный объект, совершающий быстрые периодические движения. В результате этих движений устройство становится чувствительным к вращению в инерциальном пространстве. При таком понимании слова гироскоп для него уже необязательно наличие симметричного массивного быстро вращающегося ротора, подвешенного без трения таким образом, чтобы его центр масс совпадал с центром подвеса.
Гироскопы разделяют на измерительные и силовые. Силовые служат для создания моментов сил, приложенных к основанию, на котором установлен гироприбор, а измерительные предназначены для определения параметров движения основания (измеряемыми параметрами могут быть углы поворота основания, проекции вектора угловой скорости и т. д.).
1.1.1. Самый простой гироскоп
Простейшим гироскопом, с необыкновенными свойствами которого мы знакомимся еще в детстве, является волчок. Парадоксальность поведения волчка заключается в его сопротивлении изменить направление оси вращения. При действии внешней силы ось волчка (гироскопа) двигается в направлении, перпендикулярном вектору силы. Поэтому вращающийся волчок не падает, а его ось описывает конус вокруг вертикали; это движение называется регулярной прецессией тяжелого твердого тела.
Медленное движение вектора собственного кинетического момента гироскопа под действием моментов внешних сил называется прецессией гироскопа и описывается векторным уравнением
w × H = M.
Здесь w – вектор угловой скорости прецессии, H – вектор собственного кинетического момента гироскопа, M – ортогональная к H составляющая вектора момента внешних сил, приложенных к гироскопу. Момент сил, приложенных со стороны ротора к подшипникам оси собственного вращения ротора, возникающий при изменении направления оси, называют гироскопическим моментом. Погрешность гироскопа измеряется скоростью ухода его оси от первоначального положения. Свободный гироскоп функционирует идеально лишь в том случае, если внешний момент M равен нулю.
1.1.2. Виды гироскопов и практическое применение
Высокоточный гироскоп может уверенно (с погрешностью 5 %) измерять скорость вращения Земли, однако если бы этот гироскоп оказался на Луне, то ему не удалось бы обнаружить вращение Луны, происходящее в 28 раз медленнее вращения Земли. Во времена Фуко не существовало средств для раскрутки ротора гироскопа до скоростей тысячи оборотов в минуту. Только в конце XIX века было предложено использовать для разгона и поддержания вращения ротора гироскопа