Микроэлектромеханические системы: путь к совершенствованию гироскопов

Цели. Микросистемная техника является одним из наиболее популярных и перспективных направлений, которые активно развиваются в настоящее время. Область применения элементов микросистемной техники весьма широка. Настоящая работа направлена на всестороннее изучение процессов разработки и создания современных гироскопов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС-гироскопов). Целью исследования является анализ рисков, связанных с технологическими аспектами их производства, а также определение перспективных направлений для дальнейшего развития как самих МЭМС-гироскопов, так и технологий их изготовления.
Методы. В ходе работы осуществлен детализированный анализ существующих научных публикаций, аналитических обзоров и других доступных источников, посвященных МЭМС-гироскопам и актуальным трендам в области микрооптоэлектромеханических технологий и сегнетоэлектрических пленок.
Результаты. Представлено краткое описание конструктивных решений современных МЭМС-гироскопов, а также их интеграция в мехатронные системы. Рассматриваются технологии производства МЭМС-гироскопов и специфика используемого технологического оборудования. В отдельном разделе обсуждаются аспекты настройки и калибровки этих устройств. Выделены перспективные направления развития МЭМС-гироскопов с акцентом на применение микрооптоэлектромеханических преобразователей и сегнетоэлектрических пленок.
Выводы. На основе проведенного анализа показана перспективность развития МЭМС-гироскопов, несмотря на имеющиеся технологические вызовы. Отмечено, что новые физические принципы и уникальные технологии могут способствовать появлению новых видов МЭМС-гироскопов, использующих микрооптоэлектромеханические преобразователи и сегнетоэлектрические пленки. Это, в свою очередь, открывает новые горизонты для будущих разработок в данной области. Показана необходимость разработки новых технологий производства и специализированного оборудования для повышения качества МЭМС-гироскопов.

1. Мальцев П.П., Телец В.А. Лекция 13. Микросистемная техника. В кн.: Базовые лекции по электронике: в 2-х т. Т. II. Твердотельная электроника. М.: Техносфера; 2009. С. 499–575.

2. Peshekhonov V.G. The Outlook for Gyroscopy. Gyroscopy Navig. 2020;11:193–197. https://doi.org/10.1134/S2075108720030062

3. Damianos D., Mouly J., Delbos P. Status of the MEMS Industry 2021. Market & Technology Report; 2021. 10 p.

4. Синельников А.О., Тихменев Н.В., Ушанов А.А., Медведев В.М. Современное состояние и тенденции развития инерциальных навигационных систем на кольцевых лазерных гироскопах. Фотоника. 2024;18(6):450–466. http://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.6.450.466

5. Robin L., Perlmutter M. Gyroscopes and IMUs for Defense Aerospace and Industrial. Report by Yole Development. 2012. 317 р.

6. Пыжова Е.М. Микромеханические гироскопы в системах навигации. В сб.: Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы – 2019: материалы конференции. Казань: ИП Сагиева А.Р.; 2019. С. 669–671. https://www.elibrary.ru/agslgx

7. Вернер В.Д., Сауров А.Н., Иванов А.А., Телец В.А., Коломенская Н.Г., Лучинин В.В., Мальцев П.П., Попова И.В. Изделия микросистемной техники – основные понятия и термины. Нано- и микросистемная техника. 2007;12:2–5.

8. Кузнецов П.С. Вопросы и перспективы развития мехатроники и микросистемной техники. Нано- и микросистемная техника. 2024;26(4):159–169. https://doi.org/10.17587/nmst.25.159-169

9. Распопов В.Я., Никулин А.В., Лихошерст В.В. Классификация конструкций микромеханических гироскопов. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2005;48(8):5–8.

10. Вавилов В.Д., Тимошенков С.П., Тимошенков А.С. Микросистемные датчики физических величин: монография в двух частях. М.: ТЕХНОСФЕРА; 2018. 550 с.

11. Тимошенков С.П., Михеев А.В., Каменский А.М., Артемов Е.И., Полушкин В.М., Петрова Н.А., Боев Л.Р., Пузиков В.В. Инерциальные микроэлектромеханические системы (акселерометры и гироскопы). Наноиндустрия. 2020;(S96-2):471–474. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.3s.471.474

12. Asar C., Shkel A. MEMS Vibratory Gyroscopes. Structural Approaches to Improve Robustness. Springer; 2009. 260 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-09536-3

13. Лукьянов Д.П., Распопов В.Я., Филатов Ю.В. Прикладная теория гироскопов. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор»; 2015. С. 42–46.

14. Шахнович И.В. МЭМС-гироскопы – единство выбора. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2007;1:76–85.

15. Xinfeng Z., Jingjing F., Zhipeng L., Mengtong Z. MEMS Gyroscopes Development and Application Overview on Intelligent Vehicles. In: 2020 Chinese Control and Decision Conference (CCDC). Hefei, China. 2020. P. 53–59. https://doi.org/10.1109/CCDC49329.2020.9164093

16. Zhanshe G., Fucheng C., Boyu L., et al. Research development of silicon MEMS gyroscopes: a review. Microsyst. Technol. 2015;21(10):2053–2066. https://doi.org/10.1007/s00542-015-2645-x

17. Коновалов С.Ф., Пономарев Ю.А., Майоров Д.В. Магнитная компенсация нулевого сигнала в гибридном двухкоординатном МЭМС-гироскопе R-R-R-типа. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение. 2013;4(93):122–131.

18. Каликанов А.В. Расчет чувствительного элемента микромеханического гироскопа RR-типа. Молодой ученый. 2020;1(291):28–33.

19. Бочаров Л.Ю., Мальцев П.П. Состояние и перспективы развития микроэлектромеханических систем за рубежом. Микросистемная техника. 1999;1:41–46.

20. Попова И.В., Лестев А.М., Семенов А.А., Иванов В.А., Ракитянский О.И. Микромеханический гироскоп-акселерометр: пат. 84542 РФ. Заявка № 20009105376/22; заявл. 16.02.2009; опубл. 10.07.2009.

21. Попова И.В., Лестев А.М., Семенов А.А., Иванов В.А., Ракитянский О.И., Бурцев В.А. Капсулированные микромеханические гироскопы и акселерометры для систем навигации и управления. Гироскопия и навигация. 2008;3(62):27–36.

22. Подураев Ю.В. Актуальные проблемы мехатроники. Мехатроника, автоматизация, управление. 2007;4:50–53.

23. Филимонов Н.Б. Предмет современной мехатроники и ее место в системе наук. Многоядерные процессоры, параллельное программирование, ПЛИС, системы обработки сигналов. 2017;1(7):151–159.

24. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Анализ и синтез интегрированных мехатронных модулей. Мехатроника, автоматизация, управление. 2005;10:3–8.

25. Bradley D. Mechatronics – More questions than answers. Mechatronics. 2010;20(8):827–841. https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2010.07.011

26. Bogolyubov V., Bakhtieva L. Astatic Gyrocompass Based on a Hybrid Micromechanical Gyroscope. In: IEEE East-West Design and Test Symposium, (EWDTS) – Proceedings. 2021. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/EWDTS52692.2021.9580982

27. Евстифеев М.И. Основные этапы разработки отечественных микромеханических гироскопов. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2011;54(6):75–80.

28. Евстифеев М.И. Опыт разработки микромеханических гироскопов. В сб.: Навигация и управление движением: материалы докладов Х Юбилейной конференции молодых ученых. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор»; 2008. С. 9–20.

29. Моисеев Н.В., Некрасов Я.А. Анализ систем управления вторичными колебаниями современных микромеханических гироскопов. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012;7:115–126.

30. Бекмачев А., Попова Н. Инерциальные МЭМС-датчики производства АО «ГИРООПТИКА». Современная электроника. 2018;5:4–6.

31. Евстафьев С.Д., Ракитянский О.И., Северов Л.А., Семенов А.А. Калибровка информационных характеристик микромеханического гироскопа. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012;7:167–172.

32. Новиков В.Ю., Прилуцкий И.С. Перспективы развития микромеханических и наномеханических устройств. Электронные средства и системы управления. Материалы докладов IV Международной научно-практической конференции, 13–16 октября 2010 г. Томск: В-Спектр; 2011;2:109–113.

33. Теряев Е.Д., Филимонов Н.Б. Наномехатроника: состояние, проблемы, перспективы. Мехатроника, автоматизация, управление. 2010;1:2–14.

34. Кузнецов П.С. К вопросу технологии создания твердотельных микромеханических систем. Естественные и технические науки. 2024;3(190):136–139. https://doi.org/10.25633/ETN.2024.03.09

35. Ивашов Е.Н., Кузнецов П.С., Федотов К.Д. Оптимизация управления параметрами метрологического обеспечения при производстве микромеханических гироскопов. Вестник машиностроения. 2015;5:40–45.

36. Васин В.А., Ивашов Е.Н., Кузнецов П.С., Степанчиков С.В. Монография 6. Микроинженерия магнитных устройств. Микро- и наноинженерия в электронном машиностроении: Серия из 7 монографий. Ивантеевка Моск. обл.: Изд-во НИИ предельных технологий; 2013. 205 с.

37. Васин В.А., Ивашов Е.Н., Степанчиков С.В. Повышение равномерности нанесения тонких пленок в вакууме. Технология машиностроения. 2011;6:27–30.

38. Васин В.А., Ивашов Е.Н., Кузнецов П.С., Степанчиков С.В. Устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием для специального технологического оборудования. Технология машиностроения. 2011;2:47–51.

39. Васин В.А., Ивашов Е.Н., Кузнецов П.С., Степанчиков С.В. Особенности применения устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием в современном сверхвысоковакуумном контрольно-диагностическом и технологическом оборудовании. Контроль. Диагностика. 2011;2:44–48.

40. Васин В.А., Ивашов Е.Н., Степанчиков С.В. Контрольно-навигационная система современного сверхвысоковакуумного аналитико-технологического комплекса. Контроль. Диагностика. 2012;5:71–74.

41. Ивашов Е.Н., Лучников А.П., Сигов А.С., Степанчиков С.В. Проектирование элементов и устройств технологических систем электронной техники. М.: Энергоатомиздат; 2008. 288 с.

42. Саленко Д.С. Особенности моделирования MEMS-гироскопа. Автоматика и программная инженерия. 2015;2(12): 109–115.

43. Кузнецов П.С. Определение параметров при производстве МЭМС-гироскопов. Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2014;1:456-460. https://www.elibrary.ru/ukrxnl

44. Кузнецов П.С. Компенсация нелинейности МЭМС-гироскопов с помощью математического моделирования. Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2014;1:460-462. https://www.elibrary.ru/ukrxnv

45. Бойков И.В., Кривулин Н.П. Идентификация дискретных динамических систем с распределенными параметрами. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2014;2(30):34–48.

46. Крылов А.А., Корниюк Д.В. Технологические подходы к устранению смещения нуля МЭМС гироскопов в составе гироинерциального блока. Труды МАИ. 2018;103:18.

47. Крылов А.А., Кузнецов П.С. Устранение смещения нуля МЭМС-гироскопов при различной температурной динамике. Вестник Концерна ВКО Алмаз-Антей. 2019;2(29):34–39.

48. Крылов А.А. Исследование нестабильности дрейфа нуля МЭМС-гироскопов и способов ее учета при калибровке. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020;1:64–69.

49. Бусурин В.И., Васецкий С.О., Казарьян А.В. Компенсационный микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости: пат. 2806242 РФ. Заявка № 2023123201А; заявл. 06.09.2023; опубл. 30.10.2023.

50. Xia D., Huang L., Zhao L. A New Design of an MOEMS Gyroscope Based on a WGM Microdisk Resonator. Sensors. 2019;19(12):2798. https://doi.org/10.3390/s19122798

51. Barbin E., Nesterenko T., Koleda A., Shesterikov E., Kulinich I., Kokolov A. An Optical Measuring Transducer for a Micro-Opto-Electro-Mechanical Micro-g Accelerometer Based on the Optical Tunneling Effect. Micromachines. 2023;14(4):802. https://doi.org/10.3390/mi14040802

52. Бусурин В.И., Казарьян А.В., Штек С.Г., Жеглов М.А., Васецкий С.О., Чжи П.Л. Рамочный микрооптоэлектромеханический преобразователь угловой скорости с узлами оптического считывания на основе оптического туннельного эффекта. Измерительная техника. 2022;5:50–55. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-5-50-55

53. Бусурин В.И., Васецкий С.О., Штек С.Г., Жеглов М.А. Микрооптоэлектромеханический датчик угловой скорости: пат. 2790042 RF. Заявка № 2022129761; заявл. 16.11.2022; опубл. 14.02.2023.

54. Barbin E., Nesterenko T., Koleda A., Shesterikov E., Kulinich I., Kokolov A., Perin A. The Design, Modeling and Experimental Investigation of a Micro-G Microoptoelectromechanical Accelerometer with an Optical Tunneling Measuring Transducer. Sensors. 2024;24(3):765. https://doi.org/10.3390/s24030765

55. Shtek S.G., Zheglov M.A., Belyakov V.V., Andreasyan O.G., Vasetskiy S.O., Kuznetsov P.S. Development of a Sensitive Element of a Micro-Opto-Electromechanical Accelerometer. In: 2023 30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS). https://doi.org/10.23919/ICINS51816.2023.10168511

56. Шмидт С.П., Иванов В.В. Перспективы создания и развития полностью оптического компьютера. Инновационная наука. 2015;8-2(8):83–85.

57. Молодяков С.А. Оптоэлектронные процессоры с ПЗС-фотоприемниками. Конвейерная обработка сигналов. Информационно-управляющие системы. 2008;6:2–8.

58. Степаненко С.А. Фотонный компьютер: структура и алгоритмы, оценка параметров. Фотоника. 2017;7(67):72–83. https://doi.org/10.22184/1993-7296.2017.67.7.72.83

59. Умарова У.Б. Оптические компьютеры и их достоинства. В сб.: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сборник научных трудов XI Международной научно-практической конференции: в 4-х т. Курск: ЗАО «Университетская книга»; 2014. С. 219–220.

60. Гордеев А., Войтович В., Святец Г. Перспективные фотонные и фононные отечественные технологии для терагерцовых микропроцессоров, ОЗУ и интерфейса со сверхнизким энергопотреблением. Современная электроника. 2022;2:65–72.

61. Rawat U., Anderson J.D., Weinstein D. Design and Applications of Integrated Transducers in Commercial CMOS Technology. Front. Mech. Eng. 2022;8:902421. https://doi.org/10.3389/fmech.2022.902421

62. Таишев С.Р., Крайнова К.Ю. Оптимизация условий поляризации в наноразмерных сегнетоэлектриках с целью дальнейшего применения в датчиках и МЭМС. Молодой ученый. 2016;1(105):224–227.

63. Воротилов К.А., Мухортов В.М., Сигов А.С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства. М.: Энергоатомиздат; 2011. 175 с.

64. Li S., Wang Y., Yang M., et al. Ferroelectric thin films: performance modulation and application. Mater. Adv. 2022;3(14):5735–5752. https://doi.org/10.1039/D2MA00381C

65. Tadigadapa S. Piezoelectric microelectromechanical systems – challenges and opportunities. Procedia Eng. 2010;5:468–471. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2010.09.148

66. Мухортов В.М., Головко Ю.И., Бирюков С.В., Масычев С.И., Павленко А.В., Стрюков Д.В., Зинченко С.П., Ковтун А.П., Толмачев Г.Н. Наноразмерные сегнетоэлектрические пленки – новая активная среда для микроэлектроники. Наука Юга России. 2022;18(4):33–43. https://doi.org/10.7868/S25000640220404

67. Физика сегнетоэлектриков: современный взгляд; под ред. Рабе К.М., Ана Ч.Г., Трискона Ж.М.: пер. с англ. М.: Лаборатория знаний; 2020. 443 с. ISBN 978-5-00101-827-8

68. Воротилов К.А., Сигов А.С., Романов А.А., Машевич П.Р. Формирование сегнетоэлектрических наноструктур для нового поколения устройств микро- и наноэлектроники. Наноматериалы и наноструктуры – XXI век. 2010;1(1):45–53.