Giroscopios de un solo eje Mems

Puntos clave**Producto:** Giroscopio MEMS para instrumentos inerciales**Características:**– **Materiales:** Aleaciones metálicas, materiales funcionales, polímeros orgánicos, no metales inorgánicos– **Influyentes de estabilidad:** Defectos microscópicos, tamaño de grano, textura, tensión interna– **Impacto ambiental:** El rendimiento se ve afectado por la sobrecarga, la vibración y los ciclos de temperatura.– **Regulación de la microestructura:** Uso de compuestos de SiC/Al para reducir la densidad de dislocaciones y mejorar la resistencia**Ventajas:** Mejora la precisión y estabilidad a largo plazo, el control de microestructura personalizado garantiza confiabilidad en condiciones variables, crucial para aplicaciones en la industria aeroespacial y el registro de precisión.En los últimos años, con el rápido desarrollo de la industria petrolera, la industria aeroespacial, la minería, la topografía y la cartografía, entre otros campos, la precisión y la estabilidad a largo plazo de instrumentos de precisión como los giroscopios MEMS se han vuelto cada vez más urgentes. Diversos estudios han demostrado que la inestabilidad dimensional de los materiales es una de las principales causas de la baja precisión y estabilidad de los instrumentos inerciales. La estabilidad dimensional, a diferencia de la expansión térmica o el rendimiento de ciclos térmicos, es el principal indicador de rendimiento de los materiales de piezas mecánicas de precisión y se refiere a la capacidad de las piezas para mantener su tamaño y forma originales en un entorno específico.Material para instrumentos inerciales basados ​​en giroscopios MEMSHay cuatro tipos principales de materiales de componentes de instrumentos inerciales, uno es el metal (como aluminio y aleación de aluminio, acero inoxidable, cobre y aleación de cobre, aleación de titanio, berilio, oro, etc.) y sus materiales compuestos; segundo, materiales funcionales (como aleación magnética blanda de hierro-níquel, aleación magnética dura de samario-cobalto, aleación magnética dura de Al-níquel-cobalto, etc.); tercero, polímeros orgánicos (como politetrafluoroetileno, caucho, resina epoxi, etc.); el cuarto es no metal inorgánico (como vidrio de cuarzo, cerámica procesable, etc.), de los cuales la mayor cantidad es metal y sus materiales compuestos.En los últimos años, hemos logrado avances en la fabricación de mecanizado de alta precisión y en la tecnología de ensamblaje de bajo/libre estrés. Sin embargo, aún observamos que, tras la entrega del instrumento, la precisión se desvía lentamente y no se logra una estabilidad a largo plazo. De hecho, una vez determinado el diseño estructural, el procesamiento de las piezas y el proceso de ensamblaje, la estabilidad a largo plazo de la precisión del instrumento depende de las características intrínsecas del material.Las propiedades intrínsecas del material (como defectos microscópicos, segunda fase, tamaño de grano, textura, etc.) afectan directamente la estabilidad dimensional del material. Además, el material del instrumento también experimentará cambios dimensionales irreversibles bajo la interacción con el entorno externo (campo de tensión, campo de temperatura y tiempo, etc.). La Figura 1 muestra la relación entre la precisión del instrumento inercial y las condiciones de servicio, la microestructura del material y el cambio de tamaño. Tomando como ejemplo el giroscopio MEMS, sus condiciones de trabajo y el entorno de almacenamiento tienen un impacto en la estabilidad dimensional del material. Incluso si el giroscopio MEMS tiene un sistema de control de temperatura, si la microestructura del material en sí es inestable, hay una segunda fase metaestable o hay tensión residual macro/micro durante el ensamblaje, la precisión del instrumento se desviará.Figura 1 Relación entre la precisión de los instrumentos inerciales, las condiciones de servicio, la microestructura y los cambios dimensionales.Factores influyentes del cambio materialLas propiedades intrínsecas de los materiales del giroscopio MEMS incluyen principalmente defectos microscópicos, segunda fase, grano, textura y tensión interna, etc. Los factores ambientales externos interactúan principalmente con las propiedades intrínsecas para provocar cambios dimensionales.1. Densidad y morfología de los defectos microscópicosLos defectos microscópicos en metales y aleaciones incluyen vacantes, dislocaciones, maclas y límites de grano, entre otros. La dislocación es el tipo más común de defecto microscópico y se refiere a los defectos formados por la disposición irregular de átomos en cristales con una disposición regular, como la ausencia o el aumento de la mitad del plano atómico de la dislocación de borde. Debido a que la dislocación introduce volumen libre en cristales perfectos, se producen cambios en el tamaño del material, como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, con el mismo número de átomos, la presencia de dislocación hace que aparezca volumen libre alrededor de los átomos, lo que se refleja en el aumento del tamaño de la aleación.Figura 2 Esquema del efecto de la densidad de defectos microscópicos en los materiales sobre la dimensión del material.2. Influencia del grano y la textura en la estabilidadSe deriva la relación entre la deformación ε del metal o aleación bajo la tensión aplicada σ y el tamaño de grano d del material, la densidad ρ de la dislocación móvil, la tensión σ0 requerida para que comience la primera dislocación y el módulo de corte G del material:Se puede ver a partir de la fórmula que el refinamiento del grano puede reducir la tensión generada, que también es la dirección rectora de la regulación de la microestructura en el proceso de estabilización.Además, en la producción real, al utilizar barras extruidas y placas laminadas para procesar componentes de instrumentos de precisión, también es necesario prestar atención a la anisotropía del material, como se muestra en la Figura 3. Tomando como ejemplo la aleación 2024Al para el marco de un giroscopio mecánico, el marco de la Figura 3(a) generalmente utiliza una barra de aleación de aluminio 2024 extruida. Debido a la gran deformación plástica, los granos mostrarán una orientación preferencial para formar textura, como se muestra en las Figuras 3(b) y (c). La textura se refiere al estado en el que la orientación cristalina del material policristalino se desvía significativamente de la distribución aleatoria.Figura 3 Microestructura de la varilla de aleación 2024Al para marcos de giroscopios mecánicosProductos en el artículo3. La influencia del entorno en la estabilidad dimensional de los materiales. En general, los instrumentos inerciales necesitan mantener una precisión estable a largo plazo en condiciones como sobrecargas elevadas, vibraciones, impactos y fluctuaciones térmicas, lo que exige requisitos de estabilización más exigentes para la microestructura y las propiedades de los materiales. En el ejemplo de los compuestos de SiC/2024Al de grado instrumental, la estabilidad dimensional a largo plazo se consigue mediante un proceso de estabilización en la fabricación de estructuras de instrumentos inerciales. Los resultados muestran que la amplitud del cambio de tamaño (~1,5 × 10⁻⁴) causada por el proceso de mantenimiento a temperatura constante del compuesto de SiC/aluminio puro (solo la tensión interna influye en el cambio de tamaño) es mayor que la del proceso de mantenimiento a temperatura constante de la aleación de aluminio (solo la precipitación por envejecimiento influye en el cambio de tamaño) (~-0,8 × 10⁻⁴). Cuando la matriz se convierte en aleación de Al, el efecto de la tensión interna del compuesto en el cambio dimensional se amplifica aún más, como se muestra en la Figura 4. Además, en diferentes entornos de servicio, la tendencia al cambio de la tensión interna del mismo material es diferente, e incluso se puede mostrar una tendencia opuesta al cambio de tamaño. Por ejemplo, los compuestos de SiC/2024Al producen liberación de tensión de compresión a una temperatura constante de 190 °C y el tamaño aumenta, mientras que la liberación de tensión de tracción ocurre a 500 choques de frío y calor a -196 ~ 190 °C y el tamaño disminuye.Por lo tanto, al diseñar y utilizar compuestos de matriz de aluminio, es necesario verificar completamente su carga térmica de servicio, su estado de tensión inicial y el tipo de material de la matriz. Actualmente, la idea de diseño de procesos basada en la estabilización de tensiones consiste en aplicar un choque térmico y de frío que cubra su rango de temperatura de servicio, liberar la tensión interna, formar numerosas estructuras de dislocación estables dentro del material compuesto y promover una gran cantidad de precipitación secundaria.Figura 4 Cambios dimensionales en aleaciones y compuestos de aluminio durante el envejecimiento a temperatura constanteMedidas para mejorar la estabilidad dimensional de los componentes1. Regulación y optimización de microdefectosLa selección de un nuevo sistema de materiales es una forma eficaz de controlar los microdefectos. Por ejemplo, el uso de compuestos de SiC/Al de grado instrumental y partículas cerámicas de SiC para fijar la dislocación en la matriz de aluminio, reducir la densidad de la dislocación móvil o modificar el tipo de defecto en el metal. Tomando como ejemplo los compuestos de SiC/Al, la investigación muestra que cuando la distancia promedio entre las partículas cerámicas en los compuestos se reduce a 250 nm, se puede preparar un compuesto con falla de capa, cuyo límite elástico es un 50 % superior al del compuesto sin falla de capa, como se muestra en la Figura 5.Figura 5 Dos tipos de morfología de material compuestoCabe señalar que, al desarrollar la ruta de control organizacional, también es necesario seleccionar el sistema de materiales adecuado y los parámetros de choque térmico y de frío, en combinación con las condiciones de tensión y el rango de temperatura de trabajo del entorno de servicio del instrumento inercial. Anteriormente, la selección del sistema de materiales y los parámetros del proceso se basaba en la experiencia y en una gran cantidad de datos de rendimiento, lo que resultaba en una base teórica insuficiente para el diseño de procesos debido a la falta de soporte microestructural. En los últimos años, con el continuo desarrollo de la tecnología de pruebas analíticas, se puede lograr la evaluación cuantitativa o semicuantitativa de la densidad y morfología de defectos microscópicos mediante difractómetros de rayos X, microscopios electrónicos de barrido y microscopios electrónicos de transmisión, lo que proporciona soporte técnico para la optimización del sistema de materiales y el análisis de procesos. 2. Regulación del grano y la textura El efecto de la textura en la estabilidad dimensional es la anisotropía que causa el cambio dimensional. Como se mencionó anteriormente, el marco del giroscopio MEMS tiene requisitos verticales extremadamente estrictos en la dirección axial y radial, y el error de procesamiento debe controlarse en el orden de micras para evitar causar la desviación del centroide del giroscopio MEMS. Por esta razón, la barra extruida de 2024Al se sometió a un tratamiento térmico de deformación. La Figura 6 muestra las fotos metalográficas de la deformación por compresión axial del 40% de la aleación de aluminio 2024 extruida y las fotos de la microestructura antes y después de la deformación térmica. Antes del tratamiento térmico de deformación, es difícil calcular el tamaño del grano axial, pero después del tratamiento térmico de deformación, el grado equiaxial del grano en el borde de la barra es de 0,98, y el grado equiaxial del grano aumenta significativamente. Además, la figura muestra que la diferencia de resistencia a la pequeña deformación entre la axial y la radial de la muestra original es de 111,63 MPa, lo que demuestra una fuerte anisotropía. Tras el tratamiento térmico de deformación, los valores de resistencia a la pequeña deformación axial y radial fueron de 163 MPa y 149 MPa, respectivamente. En comparación con la muestra original, la relación entre la resistencia a la pequeña deformación axial y radial pasó de 2,3 antes del tratamiento térmico de deformación a 1,1, lo que indica que la anisotropía del material se eliminó mejor tras el tratamiento térmico de deformación.Figura 6 Diagrama esquemático del tratamiento isotrópico, cambios en la microestructura y pruebas de rendimiento de la varilla de aleación de aluminio.Por lo tanto, cuando se utilizan barras o placas de aleación de aluminio para procesar componentes de instrumentos inerciales, se recomienda aumentar el enlace del tratamiento térmico de deformación, eliminar la textura, lograr una organización isotrópica y evitar la anisotropía de la deformación. La información estadística de la textura se puede obtener mediante EBSD en SEM, TKD en TEM o XRD tridimensional, y los cambios de textura se pueden analizar cuantitativamente.ConclusiónAnte la urgente necesidad de estabilidad de precisión a largo plazo de los instrumentos inerciales, este artículo revisa sistemáticamente la influencia de la estabilidad dimensional desde la perspectiva de la ciencia de los materiales y propone cómo mejorar dicha estabilidad a largo plazo a partir de las características intrínsecas de los materiales. El NF-1000, en un encapsulado cerámico LCC, es un giroscopio MEMS de búsqueda del norte mejorado, basado en el MG-502, cuyo alcance se ha incrementado de 50-100°/s a 500°/s, lo que supone un hito. Los materiales son fundamentales para la estabilidad a largo plazo de los instrumentos y constituyen la base de su óptimo rendimiento. Espero que a través de este artículo puedas comprender el conocimiento del giroscopio MEMS, si quieres saber más información puedes leer productos y artículos relacionados. MG502Giroscopios de un solo eje MEMS de alta precisión MG-502