Материальные проблемы, влияющие на долговременную стабильность точности MEMS-гироскопов, и способы их решения.
Dec 23, 2024
Основные положения**Продукт:** MEMS-гироскоп для инерциальных приборов**Функции:**– **Материалы:** Металлические сплавы, функциональные материалы, органические полимеры, неорганические неметаллы– **Факторы, влияющие на стабильность:** микроскопические дефекты, размер зерна, текстура, внутреннее напряжение.– **Воздействие на окружающую среду:** На производительность влияют перегрузки, вибрация и перепады температур.– **Регулирование микроструктуры:** Использование композитов SiC/Al для снижения плотности дислокаций и повышения прочности.**Преимущества:** Повышает долговременную точность и стабильность, а целенаправленный контроль микроструктуры обеспечивает надежность в различных условиях, что крайне важно для применения в аэрокосмической отрасли и высокоточной каротаже.В последние годы, в связи с быстрым развитием нефтедобычи, аэрокосмической отрасли, горнодобывающей промышленности, геодезии и картографии и других областей, все более актуальной становится точность и долговременная стабильность прецизионных приборов, таких как MEMS-гироскопы. Исследования показали, что нестабильность размеров материалов является одной из основных причин низкой точности и стабильности инерциальных приборов. Стабильность размеров отличается от термического расширения или характеристик термоциклирования и является основным показателем качества материалов прецизионных механических деталей, определяющим способность деталей сохранять свои первоначальные размеры и форму в определенных условиях.Материал для инерциального измерительного прибора на основе MEMS-гироскопаСуществует четыре основных типа материалов для компонентов инерциальных приборов: первый — металл (например, алюминий и алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь, медь и медные сплавы, титановые сплавы, бериллий, золото и т. д.) и его композитные материалы; второй — функциональные материалы (например, мягкий магнитный сплав железа и никеля, твердый магнитный сплав самария и кобальта, твердый магнитный сплав алюминия, никеля и кобальта и т. д.); третий — органические полимеры (например, политетрафторэтилен, каучук, эпоксидная смола и т. д.); четвертый — неорганические неметаллы (например, кварцевое стекло, обрабатываемая керамика и т. д.), причем наибольшую долю составляют металлы и их композитные материалы.В последние годы мы добились прорывов в высокоточной механической обработке и технологии сборки с низким уровнем напряжения, однако мы по-прежнему сталкиваемся с проблемой медленного снижения точности после поставки прибора и невозможности достижения долговременной стабильности. Фактически, после определения конструктивных особенностей, обработки деталей и процесса сборки, долговременная стабильность точности прибора зависит от внутренних характеристик материала.Внутренние свойства материала (такие как микроскопические дефекты, вторая фаза, размер зерен, текстура и т. д.) напрямую влияют на стабильность размеров материала. Кроме того, материал прибора также подвергается необратимым изменениям размеров под воздействием внешней среды (поле напряжений, температурное поле и время и т. д.). На рисунке 1 показана зависимость точности инерциального прибора от условий эксплуатации, микроструктуры материала и изменения размеров. На примере MEMS-гироскопа видно, что условия его работы и хранения влияют на стабильность размеров материала. Даже если MEMS-гироскоп имеет систему контроля температуры, если микроструктура самого материала нестабильна, присутствует метастабильная вторая фаза или во время сборки возникают макро- и микроостаточные напряжения, точность прибора будет снижаться.Рисунок 1. Взаимосвязь между точностью инерциальных приборов, условиями эксплуатации, микроструктурой и изменениями размеров.Факторы, влияющие на материальные измененияК основным внутренним свойствам материалов для МЭМС-гироскопов относятся микроскопические дефекты, наличие второй фазы, структура зерна, текстура и внутренние напряжения и т.д. Внешние факторы окружающей среды в основном взаимодействуют с внутренними свойствами, вызывая изменения размеров.1. Плотность и морфология микроскопических дефектовМикроскопические дефекты в металлах и сплавах включают вакансии, дислокации, двойники и границы зерен и т. д. Дислокация является наиболее типичной формой микроскопического дефекта, представляющего собой дефекты, образующиеся из-за нерегулярного расположения атомов в регулярно расположенных кристаллах, такие как отсутствие или увеличение полуплоскости атомов или краевая дислокация. Вследствие того, что дислокации вводят свободный объем в совершенные кристаллы, происходит изменение размеров материала, как показано на рисунке 2. Однако при одинаковом количестве атомов наличие дислокаций приводит к появлению свободного объема вокруг атомов, что отражается в увеличении размера сплава.Рисунок 2. Схема влияния плотности микроскопических дефектов в материалах на их размеры.2. Влияние зерна и текстуры на стабильностьВыведена зависимость между деформацией ε металла или сплава под действием приложенного напряжения σ и размером зерна d материала, плотностью ρ подвижных дислокаций, напряжением σ0, необходимым для начала образования первой дислокации, и модулем сдвига G материала:Из формулы видно, что измельчение зерна может уменьшить возникающую деформацию, что также является определяющим направлением регулирования микроструктуры в процессе стабилизации.Кроме того, в реальном производстве при использовании экструдированных прутков и прокатанных листов для обработки компонентов прецизионных приборов необходимо также обращать внимание на анизотропию материала, как показано на рисунке 3. В качестве примера рассмотрим сплав 2024Al для каркаса механического гироскопа. Каркас на рисунке 3(а) обычно изготовлен из экструдированного прутка из алюминиевого сплава 2024. Из-за большой пластической деформации зерна будут демонстрировать преимущественную ориентацию, образуя текстуру, как показано на рисунках 3(б) и (в). Текстура — это состояние, при котором кристаллическая ориентация поликристаллического материала значительно отклоняется от случайного распределения.Рисунок 3. Микроструктура стержня из сплава 2024Al для каркасов механических гироскопов.Товары в статье3. Влияние окружающей среды на размерную стабильность материалов. В целом, инерциальные приборы должны поддерживать долговременную стабильность точности в условиях больших перегрузок, вибрации и ударов, а также температурных циклов, что предъявляет более высокие требования к стабилизации микроструктуры и свойств материалов. На примере композитов SiC/2024Al инструментального класса долговременная стабильность размеров достигается за счет процесса стабилизации при изготовлении конструкций инерциальных приборов. Результаты показывают, что амплитуда изменения размеров (~ 1,5×10⁻⁴), вызванная процессом выдержки при постоянной температуре композита SiC/чистый алюминий (на изменение размеров влияет только внутреннее напряжение), больше, чем амплитуда изменения размеров алюминиевого сплава, вызванная процессом выдержки при постоянной температуре (на изменение размеров влияет только старение и осаждение) (~ -0,8×10⁻⁴). Когда матрица становится алюминиевым сплавом, влияние внутреннего напряжения композита на изменение размеров будет еще больше усиливаться, как показано на рисунке 4. Кроме того, в разных условиях эксплуатации тенденция изменения внутреннего напряжения одного и того же материала различна, и даже может наблюдаться противоположная тенденция изменения размеров. Например, в композитах SiC/2024Al при постоянной температуре 190 °C происходит снятие сжимающего напряжения, при этом размер частиц увеличивается, тогда как при 500 холодных и горячих ударах при температуре -196–190 °C происходит снятие растягивающего напряжения, при этом размер частиц уменьшается.Поэтому при проектировании и использовании композитов на основе алюминиевой матрицы необходимо тщательно проверять их рабочую температурную нагрузку, начальное напряженное состояние и тип матричного материала. В настоящее время идея проектирования процесса, основанная на стабилизации напряжений, заключается в проведении холодового и термического шока в диапазоне рабочих температур, снятии внутренних напряжений, формировании большого количества стабильных дислокационных структур внутри композитного материала и стимулировании большого количества вторичных осаждений.Рисунок 4. Изменения размеров алюминиевых сплавов и композитов в процессе старения при постоянной температуре.Меры по повышению размерной стабильности компонентов1. Регулирование и оптимизация микродефектовВыбор новой системы материалов является эффективным способом контроля микродефектов. Например, использование композитов SiC/Al инструментального качества, частиц керамики SiC для фиксации дислокаций в алюминиевой матрице, уменьшения плотности подвижных дислокаций или изменения типа дефектов в металле. На примере композитов SiC/Al исследования показывают, что при уменьшении среднего расстояния между частицами керамики в композите до 250 нм можно получить композит со слоистым дефектом, при этом предел упругости композита со слоистым дефектом на 50% выше, чем у композита без слоистого дефекта, как показано на рисунке 5.Рисунок 5. Два типа морфологии композитного материала.Следует отметить, что при разработке технологического маршрута организационного контроля необходимо также выбирать соответствующую материальную систему и параметры процесса холодового и термического шока в сочетании с условиями напряжений и диапазоном рабочих температур среды эксплуатации инерциального прибора. В прошлом выбор материальной системы и параметров процесса основывался на опыте и большом количестве данных о производительности, что приводило к недостаточной теоретической базе для проектирования процесса из-за отсутствия поддержки микроструктуры. В последние годы, с непрерывным развитием технологий аналитического контроля, количественная или полуколичественная оценка плотности и морфологии микроскопических дефектов может быть достигнута с помощью рентгеновского дифрактометра, сканирующего электронного микроскопа и просвечивающего электронного микроскопа, что обеспечивает техническую поддержку оптимизации материальной системы и скрининга процесса. 2. Регулирование текстуры и структуры зерна Влияние текстуры на стабильность размеров обусловлено анизотропией, вызывающей изменение размеров. Как упоминалось ранее, рама MEMS-гироскопа имеет чрезвычайно строгие вертикальные требования в осевом и радиальном направлениях, и погрешность обработки должна контролироваться в пределах микрон, чтобы избежать отклонения центроида MEMS-гироскопа. По этой причине экструдированный стержень из алюминия 2024 был подвергнут термообработке с деформацией. На рисунке 6 показаны металлографические фотографии 40%-ной осевой деформации сжатия экструдированного алюминиевого сплава 2024 и фотографии микроструктуры до и после термической деформации. До термообработки с деформацией трудно рассчитать размер осевого зерна, но после термообработки степень равноосности зерна на краю стержня составляет 0,98, и степень равноосности зерна значительно увеличивается. Кроме того, из рисунка видно, что небольшая разница сопротивления деформации между осевым и радиальным направлениями исходного образца составляет 111,63 МПа, что свидетельствует о сильной анизотропии. После термообработки при деформации значения сопротивления малым осевым и радиальным деформациям составили 163 МПа и 149 МПа соответственно. По сравнению с исходным образцом, отношение сопротивления малым осевым и радиальным деформациям изменилось с 2,3 до термообработки до 1,1, что указывает на лучшее устранение анизотропии материала после термообработки при деформации.Рисунок 6. Схема изотропной обработки, изменений микроструктуры и испытаний на эксплуатационные характеристики стержня из алюминиевого сплава.Поэтому, когда для обработки компонентов инерциальных приборов необходимо использовать алюминиевые сплавы в виде прутков или пластин, рекомендуется усилить термическую обработку деформации, устранить текстуру, получить изотропную структуру и избежать анизотропии деформации. Статистическую информацию о текстуре можно получить с помощью EBSD в SEM, TKD в TEM или трехмерной рентгеновской дифракции, а изменения текстуры можно количественно проанализировать.ЗаключениеВвиду острой необходимости обеспечения долговременной стабильности точности инерциальных приборов, в данной статье систематически рассматривается влияние размерной стабильности с точки зрения материаловедения и предлагаются способы повышения долговременной стабильности точности инерциальных приборов за счет внутренних характеристик материалов. NF-1000 в керамическом корпусе LCC представляет собой модернизированный MEMS-гироскоп для определения направления на север, созданный на основе MG-502, и его диапазон был увеличен с 50-100°/с до 500°/с, что является важным достижением. Материалы играют решающую роль в долговременной стабильности и являются основой для достижения наилучших характеристик. Надеюсь, эта статья поможет вам разобраться в принципах работы MEMS-гироскопов. Если вы хотите узнать больше, можете ознакомиться с информацией о смежных продуктах и статьями. MG502Высокоточные одноосевые MEMS-гироскопы Mg-502
ПОДДЕРЖИВАЕМАЯ СЕТЬ
русский
