Автоматизація проектування мікроелектро­механічних давачів кутової швидкості

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню важливої наукової задачі – розробці математичного, інформаційного та лінгвістичного забезпечення для систем автоматизованого проектування мікроелектромеханічних давачів кутової швидкості (МЕМС гіроскопів). В дисертації розроблено математичну модель коливань робочого органа давача кутової швидкості компонентного рівня проектування, що дало змогу дослідити вплив окремих параметрів робочого органа на технічні характеристики давача. Розроблено математичну модель системи пружного підвісу давача для компонентного рівня проектування, що дала змогу дослідити вплив геометричних параметрів на його чутливість і зменшити масу та габарити системи загалом. Розроблено математичну модель впливу температури на динамічні характеристики давача для компонентного рівня проектування, що дало змогу змоделювати її вплив на робочі резонансні частоти давача для різних напівпровідникових матеріалів. Розроблено математичну модель впливу паразитних крутильних коливань робочого органа на роботоздатність давача для компонентного рівня проектування, що дало змогу їх врахувати при оцінюванні значень відповідних конструктивних параметрів давача. Розроблено VHDL-AMS моделі мікроелектромеханічного давача кутової швидкості камертонної та карданної конструкцій для схемотехнічного рівня автоматизованого проектування, що дало змогу підвищити ефективність проектування. Вдосконалено електричну схему спряження МЕМС давача для схемотехнічного рівня проектування, що дало змогу зменшити рівень шумів і мінімізувати зарядовий ефект. Розроблено інформаційне та лінгвістичне забезпечення наскрізного паралельного проектування МЕМС давачів кутової швидкості, що дало змогу вдосконалити бібліотеку математичних моделей та розширити функціональні можливості БД САПР за допомогою використання XML-формату. Диссертационная работа посвящена решению важной научной задачи – разработке математического, информационного и лингвистического обеспечения для систем автоматизированного проектирования микроэлектро­механических датчиков угловой скорости (МЭМС гироскопов). В диссертации разработано математическую модель колебаний рабочего органа датчика компонентного уровня проектирования, которая дала возможность исследовать влияние отдельных параметров рабочего органа на технические характеристики датчика. Разработано математическую модель системы упругого подвеса датчика для компонентного уровня проектирования, которая дала возможность исследовать влияние геометрических параметров на его чувствительность и уменьшить массу и габариты системы в целом. Разработано математическую модель влияния температуры на динамические характеристики датчика для компонентного уровня проектирования, что дало возможность смоделировать ее влияние на рабочие резонансные частоты датчика для разных полупроводниковых материалов. Разработано математическую модель влияния паразитных крутильных колебаний рабочего органа на работоспособность датчика компонентного уровня проектирования, что дало возможность учитывать их при определении значений конструктивных параметров датчика. Разработано VHDL-AMS модели микроэлектромеханического датчика угловой скорости камертонной и карданной конструкций для схемотехнического уровня автоматизированного проектирования, что дало возможность увеличить эффективность проектирования. Усовершенствовано электрическую схему сопряжения МЭМС датчика для схемотехнического уровня проектирования, що дало возможность уменшить уровень шумов и минимизировать зарядовый эффект. Разработано информационное и лингвистическое обеспечение сквозного параллельного проектирования МЭМС датчиков угловой скорости, что позволило усовершенствовать библиотеку математических моделей и расширить функциональные способности БД САПР благодаря использованию XML-формата. Диссертационная работа посвящена решению важной научной задачи – разработке математического, информационного и лингвистического обеспечения для систем автоматизированного проектирования микроэлектро­механических датчиков угловой скорости (МЭМС гироскопов). В диссертации разработано математическую модель колебаний рабочего органа датчика компонентного уровня проектирования, которая дала возможность исследовать влияние отдельных параметров рабочего органа на технические характеристики датчика. Разработано математическую модель системы упругого подвеса датчика для компонентного уровня проектирования, которая дала возможность исследовать влияние геометрических параметров на его чувствительность и уменьшить массу и габариты системы в целом. Разработано математическую модель влияния температуры на динамические характеристики датчика для компонентного уровня проектирования, что дало возможность смоделировать ее влияние на рабочие резонансные частоты датчика для разных полупроводниковых материалов. Разработано математическую модель влияния паразитных крутильных колебаний рабочего органа на работоспособность датчика компонентного уровня проектирования, что дало возможность учитывать их при определении значений конструктивных параметров датчика. Разработано VHDL-AMS модели микроэлектромеханического датчика угловой скорости камертонной и карданной конструкций для схемотехнического уровня автоматизированного проектирования, что дало возможность увеличить эффективность проектирования. Усовершенствовано электрическую схему сопряжения МЭМС датчика для схемотехнического уровня проектирования, що дало возможность уменшить уровень шумов и минимизировать зарядовый эффект. Разработано информационное и лингвистическое обеспечение сквозного параллельного проектирования МЭМС датчиков угловой скорости, что позволило усовершенствовать библиотеку математических моделей и расширить функциональные способности БД САПР благодаря использованию XML-формата. Диссертационная работа посвящена решению важной научной задачи – разработке математического, информационного и лингвистического обеспечения для систем автоматизированного проектирования микроэлектро­механических датчиков угловой скорости (МЭМС гироскопов). В диссертации разработано математическую модель колебаний рабочего органа датчика компонентного уровня проектирования, которая дала возможность исследовать влияние отдельных параметров рабочего органа на технические характеристики датчика. Разработано математическую модель системы упругого подвеса датчика для компонентного уровня проектирования, которая дала возможность исследовать влияние геометрических параметров на его чувствительность и уменьшить массу и габариты системы в целом. Разработано математическую модель влияния температуры на динамические характеристики датчика для компонентного уровня проектирования, что дало возможность смоделировать ее влияние на рабочие резонансные частоты датчика для разных полупроводниковых материалов. Разработано математическую модель влияния паразитных крутильных колебаний рабочего органа на работоспособность датчика компонентного уровня проектирования, что дало возможность учитывать их при определении значений конструктивных параметров датчика. Разработано VHDL-AMS модели микроэлектромеханического датчика угловой скорости камертонной и карданной конструкций для схемотехнического уровня автоматизированного проектирования, что дало возможность увеличить эффективность проектирования. Усовершенствовано электрическую схему сопряжения МЭМС датчика для схемотехнического уровня проектирования, що дало возможность уменшить уровень шумов и минимизировать зарядовый эффект. Разработано информационное и лингвистическое обеспечение сквозного параллельного проектирования МЭМС датчиков угловой скорости, что позволило усовершенствовать библиотеку математических моделей и расширить функциональные способности БД САПР благодаря использованию XML-формата.The dissertation work is dedicated to the solution of the important scientific task – the development of mathematical, information and linguistic tools for the computer-aided design systems of microelectromechanical angular velocity sensors (gyroscopes). In the dissertation, the mathematical model of vibrations and for the calculation of the constructive parameters of the working element of the micromechanical angular velocity sensor for the component level design is proposed. The created model allows to establish interdependence of the constructional elements and to calculate their optimal values depending on the required characteristics of the sensor. The mathematical model of the working organ suspension of the micromechanical angular velocity sensor, that is springs dimensions depending on the required gyroscope performance, such as the thickness and the width of the springs and their length, hence the overall dimensions of the sensor, is developed for the component level design. The developed model allows to create computer design subsystem of the spring elements of the micromechanical angular velocity sensor. For computer-aided design of the micromechanical angular velocity tuning-fork sensor, the VHDL-AMS model is created. The model allows to simulate variations of Coriolis acceleration, displacements, capacity, and current depending on the applied angular velocity, and also to make the functioning analysis of the device on the schematic level of computer-aided design. The model for computer-aided design of micromechanical z-axis gimbal angular velocity sensor is created using VHDL-AMS. The created model allows to simulate drive and sense vibrations of the sensor, variations of the currents, output voltage, sensitivity of the device depending on the applied angular velocity, and also to make the functioning analysis of this device on the schematic level of computer-aided design. The mathematical model is developed that allows to establish the values of parasitic oscillations, torsional oscillations about the appropriate axes and their linear parts have to be considered while design of the gyroscope gaps between comb drive fingers and the capacitor plates are calculated. The simplified mathematical model with temperature effect on changes of the resonant frequencies of the spring suspension of the micromechanical angular velocity sensor for the component level design is created. It allows to simulate temperature effect on dynamic characteristics of the micromechanical sensor and to research the change of its sensitivity and accuracy. The electrical circuit of the small-capacitive MEMS sensor is improved that allows to reduce a noise level and minimize a charging effect. The information and linguistic tools of the end-to-end parallel design of the MEMS gyroscope is developed, it allowed to improve a library of mathematical models and to expand functional capabilities of CAD database using XML-format.