Материальные проблемы, влияющие на долговременную стабильность точности MEMS-гироскопов, и способы их решения.

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-гироскопа

Существует 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 изменения

К 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 дефектов

Микроскопические 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 стабильность

Выведена 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 статье

3. 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 компонентов

1. Регулирование и оптимизация микродефектов

Выбор 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.

Заключение

Ввиду 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.