Návrh MEMS navigačních senzorů

Transkript

1 Návrh MEMS navigačních senzorů

2 Naše divize Obrat miliard*usd, 50% mimo U.S.A. Bezmála 130,000 zaměstnanců ve 100 zemích Česká republika je pro Honeywell důležitým místem pro výrobu, výzkum a vývoj Aerospace Automation & Control Solutions Specialty Materials Transportation Systems $ B* $ B* $ B* $ B* * 2011 odhad 2 Honeywell Overview

3 Historie Obchodní zastoupení Obchodní zastoupení v Praze přes rakouskou pobočku Honeywell Service & Engineering s.r.o Honeywell spol. s r.o. Výzkum a vývoj Prague Technology Center (dnes HPL) Global Design Center, Brno Turbo Test Lab, Brno Nové laboratoře otevřeny v Brně Výroba Ademco Brno Mora Aerospace a.s Honeywell Controls s.r.o Security Products (Olympo) Honeywell Aerospace Olomouc s.r.o KCL CZ s.r.o. Strategické služby Global Credit and Treasury Services Global Business Services Aero Global Business Center Honeywell International s.r.o. Vývoj výroba - strategické služby 3 Honeywell Overview

4 Honeywell v České republice Honeywell spol. s r.o. HPS, ECC, S&C Shared Services Honeywell Prague Laboratory Honeywell Aerospace s.r.o. Prague Olomouc Ostrava Honeywell Aerospace Olomouc s.r.o. KCL CZ s.r.o. Honeywell International s.r.o. Brno HTS CZ o.z. Security Products o.z. Brno o.z. Více jak zaměstnanců v České republice 4 Honeywell Overview

5 Honeywell Technology Solutions (od 2003) Základní data - Umístění: Brno - Rozsáhlý tým vývojových pracovníků Podporované divize - Automation & Control Solutions - Aerospace - Turbo Technologies Aktuální stav - Součást sítě Honeywell Technology Solution Labs - Podpora řešení na úrovni celé společnosti - Růst pokračuje - Úzká vazba na VUT BRNO První vývojové laboratoře Honeywell mimo U.S.A. 5 Honeywell Overview

6 Aerospace Vyvíjíme inovativní produkty a modernizujeme světovou leteckou dopravu včetně jejího řízení pro vyšší efektivitu a bezpečnost letového provozu. Honeywell Aerospace Engineering (E&T) Více jak 270 konstruktérů/vývojářů Vývoj produktů Hlavní kompetence Mechanické a elektrické systémy Řízení letu Řídící jednotky motoru (FADEC) Advanced Technology Europe Více jak 70 výzkumných pracovníků Vývoj technologií Hlavní kompetence Řízení letového prostoru, Crew Interface Datová komunikace Avionické systémy, SHM/VHM, Navigační systémy, 6 Honeywell Overview

7 Automation and Control Solutions Naše dovednosti v oblasti snímání a řízení, v kombinaci s technologiemi bezdrátového přenosu dat zvyšují produktivitu, kvalitu rozhodování a bezpečnost při současném snižování nákladů u našich zákazníků Produkty, řešení a služby: Správa budov Průmyslové procesy Zařízení pro domácnosti Spínače a snímače pro kritické aplikace Protipožární systémy, Detekce plynů, Ochranné pomůcky Signalizační systémy; Access Control/Video; Low Voltage Distribution (ADI); Zákaznická elektronika Automatická identifikace a sběr dat Obory: Stavebnictví Průmysl Životní prostředí a spalování Snímání a řízení Bezpečnost Ochrana života Snímací a mobilní systémy 7 Honeywell Overview

8 Transportation Systems Ať již to jsou naše úsporná a nízko-emisní dmychadla, nebo komponenty pro brzdové systémy, naše technologie zlepšují výkony, bezpečnost a efektivitu osobních, užitkových a sportovních vozů po celem světě. Produkty: Turbodmychadla pro osobní vozy (benzínové naftové i hybrydní), středně těžké i těžké nákladní vozy a pro specielní techniku Turbodmychadla pro závodní a sportovní vozy Komponenty brzdového systému pro silniční a železniční dopravu 8 Honeywell Overview

9 Přehled projektů s podporou EU Honeywell je aktivní ve všech hlavních programech (EU&ČR) ARTEMIS JU SESAR JU ESA CIS FP 6, FP 7 TIP, Alfa, Centra kompetence atd. Technologické zaměření Advanced Systems and Prototyping Air Traffic Management Communication, Navigation, Surveillance & Control Crew Interface / Human Factors Platform Systems Automation & Control Solution Zaměření na progresivní technologie a inovace 9 Honeywell Overview

10 Projekty s podporou EU- příklady ESPOSA (Eficient Systems and Propulsion for Small Aircraft) Koordinátor: PBS (ČR) Realizace: Říjen 2011 Září 2015 Rozpočet projektu: 37.7 mil.(odhad), (rozpočet pro ČR 12 mil.) Nové koponenty motorů, nové výrobní technologie, elektronické řízení motorů SESAR Joint Undertaking (Single European Sky ATM Research) Zakládající členové: Eurocontrol a European Comision Celkové náklady: 2.1 miliardy (odhad), ( 700 milionů Community, 700 milionů Eurocontrol, 700 milionů průmysl). SESAR se skládá z 16ti základních balíčků Honeywell je aktivní v 6ti balíčcích 26 různých podprojektů ESA CIIP AOCS Mid grade gyroscope pro Attitude and Orbit Control System - studie Realizace: 2011 Sept Honeywell Overview

11 Rozdělení MEMS navigačních senzorů Základní princip měřená veličina způsobí deformaci mechanického deformačního členu, tato deformace je vhodnou read-out technikou převedena na elektrický signál. Typické měřené veličiny - snímače: zrychlení (akcelerometry) úhlové zrychlení (gyroskopy) Návrh MEMS navigačních senzorů 11

12 Základní fyzikální principy Piezorezistivní jev Princip deformací se mění valenční a vodivostní pásmo Součinitel deformační citlivosti: Kovový tenzometr cca 1 až 5 Tenkovrstvý tenzometr cca 2 Polovodičový monokrystalický tenzometr cca 80 až 150 Polovodičový difůzní tenzometr cca 80 až 200 Polovodičové tenzometry výrazná směrová závislost teplotní závislost l R S dr R -> R R dl 1 2 L L K L d Závislost citlivostního koeficientu na krystalografické orientaci a typu křemíku Teplotní závislost citlivostního koeficientu Návrh MEMS navigačních senzorů 3

13 Základní fyzikální principy Piezorezistivní jev Piezo-Hall Princip deformací se mění úbytek napětí na piezorezistorech, kterými prochází konstantní proud, t.j. dochází ke změně Hallovy konstanty díky mechanickému namáhání U H R H I B d tlakové snímače Motorola (X-ducers) -> Návrh MEMS navigačních senzorů 14

14 Základní fyzikální principy Piezoelektrický jev polarizace dielektrik (krystalických, polykrystalických) při mechanickém namáhání přímý jev deformace krystalů při působení vnějšího pole nepřímý jev podmínkou přímého jevu je vhodná struktura mřížky podle orientace jev podélný, příčný, smykový Technologie: monokrystaly SiO 2, triglycinsulfát TGS, titaničitan lithia LiTaO 3 polykrystalické piezokeramika (titaničitan barnatý BaTiO 3, titaničitan olova PbTiO 3, zirkonát olova PbZrO 3 organické polymery PVDF polyvinyldendifluorid Návrh MEMS navigačních senzorů 15

15 Základní fyzikální principy Piezoelektrický jev Návrh MEMS navigačních senzorů 16

16 Základní fyzikální principy Tunelový jev Využívá se vlnových vlastností částic (kvantová fyzika): - částice porušuje principy klasické fyziky tím, že prochází potenciálovou bariérou, která je vyšší než energie částice. - vlny se ale na rozdíl od částic mohou dostat díky ohybu i za překážku a pokračovat v dalším šíření prostorem. Mikročástice podle zákonů kvantové fyziky mohou skutečně proniknout bariérou, aniž by k tomu měli dostatečnou energii - mohou se protunelovat a najednou se ocitnout za překážkou. Detekce výchylek > 1nm Je použito malé napětí mezi ostrou kovovou špičkou a povrchem, odděleno vakuovou bariérou. Pokud je tato bariéra je o několik atomových průměrů tlustší, elektrony jsou schopny protunelování". Proudem je pak ovládáno tohoto tunelování, což je poměrně obtížné. G. Binnig a H. Rohrer, Nobelovou cena v roce Proud je exponenciálně závislý na bariérové vzdálenosti: I I 0 e z I 0 klidový proud konstanta, typicky ev -1/2 /nm šířka bariéry, typ. 0,5 ev z vzdálenost od povrchu, typ. 1 nm Návrh MEMS navigačních senzorů 17

17 Snímače zrychlení Základní principy a údaje Setrvačná hmota deformuje pružný element silou F = m.a rozsahy ± 1 g až ± 100 g přesnost ± 2%, SNR max. 60 db podle způsobu vyhodnocení: piezorezistivní kapacitní piezoelektrický tunelový jev servoakcelerometr Návrh MEMS navigačních senzorů 18

18 Snímače zrychlení Základní konstrukční principy Víceosý snímač Návrh MEMS navigačních senzorů 19

19 Snímače zrychlení Základní principy snímaní Návrh MEMS navigačních senzorů 20

20 Snímače zrychlení piezorezistivní Návrh MEMS navigačních senzorů 21

21 Snímače zrychlení kapacitní (Analog Devices ADXL 50) Návrh MEMS navigačních senzorů 22

22 Snímače zrychlení kapacitní Analog Devices Konstrukce provedená pomocí povrchového mikroobrábění Měří se změna diferenciální structure of ADXL202 sensor (XY) Návrh MEMS navigačních senzorů 13

23 Snímače zrychlení kapacitní klasické řešení kapacitního snímače zrychlení Návrh MEMS navigačních senzorů 24

24 Snímače zrychlení kapacitní Příklad technologie VTI Technologies (Murata Electronics Oy): - Senzor se skládá ze tří dopovaných křemíkových kusů (elektricky spojených) - Seismická hmota, citlivá část na zrychlení a prožina jsou vyráběny leptáním - prostředním bloku - Kovové elektrody pro měření kapacitách jsou vyrobeny z vrstvy izolačního skla na povrchu vnějších částí - Struktura je těsně uzavřena pomocí elektrostatického lepení - Plyn uvnitř funguje jako tlumič Návrh MEMS navigačních senzorů 25

25 Snímače zrychlení tepelné Návrh MEMS navigačních senzorů 16

26 Snímače zrychlení Servoakcelerometr - akcelerometry pro inerciální navigaci - akcelerometry s elektromechanickou zpětnou vazbou + přesnot, nízký šum - cena, rozměry Návrh MEMS navigačních senzorů 27

27 Snímače úhlové rychlosti (Gyroskopy) Základní principy Mechanické gyroskopy Sagnacův jev (optické gyroskopy) Coriolisův jev (MEMS) podle pohybu setrvačné hmoty: ( rotační vibrační (rotační, translační) podle způsobu buzení: elektromagnetické piezoelektrické elektrostatické podle způsobu vyhodnocení: piezoelektrické kapacitní tunelový jev SAW (povrchová akustická vlna) Návrh MEMS navigačních senzorů 28

28 Snímače úhlové rychlosti (Gyroskopy) Základní rozdělení Parametr Rate Grade Tactical Grade Inertial Grade Angle Random Walk [º/ h] > <0.001 Bias Drift [º/h] <0.01 Scale Factor Accuracy [%] Full Scale Range [º/sec] Max. Shock in 1msec [g] < >500 > Bandwidth [Hz] > Návrh MEMS navigačních senzorů 29

29 MEMS Gyroskopy - princip MEMS gyroskopy využívajících pro měření gyroskopického jevu Coriolisovu sílu. Coriolisova sila je zdánlivá síla, která působí na libovolný hmotný předmět, jež se pohybuje rychlostí v v soustavě rotující kolem osy rotace s úhlovou rychlostí w. Tato síla má směr kolmý ke spojnici osa rotace - těleso, přičemž způsobuje stáčení trajektorie tělesa proti směru rotace soustavy Návrh MEMS navigačních senzorů 30

30 MEMS Gyroskopy - princip Principiálně je gyroskop tvořen rezonující hmotou, která je upevněna ve vnitřním rámu pomocí pružin. Tento vnitřní rám je upevněn do většího, ve kterém jsou také tzv. prsty Coriolisovy síly, tvořené elektrodami vzduchových kondenzátorů. Vlivem vlastní mechanické rezonance (14kHz) se rezonující hmota pohybuje v naznačeném směru, který je kolmý na směr otáčení. Při tomto pohybu se projevuje Coriolisova síla, která je úměrná úhlové rychlosti otáčení. Tento pohyb tlačí na vnější pružiny rámu, které způsobí vzájemný posuv tzv. měřících prstů. Výstupní hodnota síly je tedy prezentována jako změna kapacity úměrná úhlové rychlosti otáčení Návrh MEMS navigačních senzorů 31

31 Snímače úhlové rychlosti (Gyroskopy) Základní principy Návrh MEMS navigačních senzorů 32

32 Snímače úhlové rychlosti (Gyroskopy) Základní principy Vibrating structure gyroscope Basic construction principle: Piezoelectric Ring gyroscope (Vine glass principle) Tuning fork gyroscope Linear resonator Rotational resonator Návrh MEMS navigačních senzorů 33

33 Snímače úhlové rychlosti (Gyroskopy) Hlavní výrobci MEMS Gyroskopů Systron Donner (BEI) gyroscope: Návrh MEMS navigačních senzorů 34

34 Piezoelectric Gyroscope Návrh MEMS navigačních senzorů 35

35 Piezoelectric Gyroscope Návrh MEMS navigačních senzorů 36

36 Snímače úhlové rychlosti MEMS RING Gyroskop Vibrační jednoosý gyroskop Silicon Sensing System Návrh MEMS navigačních senzorů 37

37 Snímače úhlové rychlosti MEMS Tuning fork Gyroskop Taktický gyroscope (křemíkový MEMS) Princip: Dva prsty vidličky snímače se pohybují v směru X na rezonanční frekvenci. Vzhledem ke Coriolisově síle ve směru Y je vyvoláno kmitání, za předpokladu, že čidlo se otáčí kolem osy Z. Systron Donner (SDI) gyroscope Návrh MEMS navigačních senzorů 38

38 MEMS gyroscope linear vibration Návrh MEMS navigačních senzorů 39

39 Snímače úhlové rychlosti MEMS Gyroskop vibrační Vibrační dvouosý kapacitní gyroskop s translačním pohybem Návrh MEMS navigačních senzorů 40

40 MEMS gyroscope linear vibration Návrh MEMS navigačních senzorů 41

41 Snímače úhlové rychlosti MEMS Gyroskop ADXRS300 Vibrační kapacitní gyroskop s translačním pohybem reálná struktura čipu Návrh MEMS navigačních senzorů 42

42 Snímače úhlové rychlosti MEMS Gyroskop Dvouosý vibrační kapacitní gyroskop s rotačním pohybem Návrh MEMS navigačních senzorů 43