Специалисты Центра микроэлектроники холдинга "Российские космические системы" (РКС, входит в Госкорпорацию "Роскосмос", член СоюзМаш России) разработали технологию групповой обработки кварцевых и кремниевых микрокомпонентов для акселерометров и гироскопов - важнейших изделий для навигации и управления космической и авиационной техникой.
     
     Задача навигации, определения местоположения объекта относительно опорной системы координат решается со времен, как человек отправился в путь. Пройденное расстояние и местоположение вычислялись при помощи инструментов, например, секстанта и простейших вычислений. Эра авиации и космонавтики сделала возможным решать задачу инерциальной навигации - навигации относительно инерциальной системы координат - автоматически с помощью бортовых систем.
     
     Эволюция навигационных систем
     
     За более чем полвека инерциальные навигационные системы претерпели колоссальные изменения: от 80-килограммовых гиростабилизированных платформ (ГСП) до бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) весом в десятки килограммов. Системы вычисляют навигационное решение на основании сигналов датчиков угловых скоростей и акселерометров. В качестве датчиков угловой скорости используются двухстепенные, динамически настраиваемые, лазерные, волоконно-оптические и волновые гироскопы. Для измерений кажущегося ускорения применяются гироскопические интеграторы линейных ускорений, маятниковые и кварцевые акселерометры. Если в ГСП сама платформа является аналоговым интегратором, то в БИНС задача решается с помощью цифровых вычислителей.
     
     Очевидно, что приборы с такими массами и габаритами не могут устанавливаться на миниатюрных изделиях, таких как квадрокоптер, малый космический аппарат, космический аппарат типа CubeSat. Впрочем, даже для автомобиля такие приборы переразмерены. Для таких объектов необходимы соответствующие решения - компактные, небольшой массы и с высокой степенью автономности.
     
     Микромеханические гироскопы
     
     Для миниатюрных изделий, где в пользу массы допустимо загрубить точность информации, развивается направление микромеханических гироскопов и приборов на их основе. Микромеханический гироскоп размером со спичечный коробок обеспечивает изделия измерениями угловой скорости и кажущегося ускорения. Однако, как и остальные гироскопы, микромеханический гироскоп является высокотехнологичным изделием, производство которого сопряжено с рядом трудностей.
     
     Технологии производства микромеханических гироскопов схожи с технологиями производства электрорадиоизделий, мировые топологические нормы уже достигли уровня в 0,35 микрометров. При высоком спросе на миниатюрные инерциальные датчики наблюдаются трудности при разработке новых технологий изготовления и дефицит серийных производителей чувствительных элементов. Ряд российских предприятий в этой нише индивидуально производит такие микрокомпоненты, однако каждое изделие имеет свои геометрические размеры, их надо потом дорабатывать и трудоемко доводить до необходимых в космосе стандартов.
     

     Отечественные технологии РКС
     
     В ответ на эту проблему в РКС разработали групповые технологии, когда на одной пластине изготавливаются чувствительные элементы с одинаковой геометрией. Инновационное серийное производство позволит отойти от практики поштучного "ручного" изготовления. Ключевая особенность разработанных в РКС методов заключается в повышении точности и повторяемости геометрических размеров объемных микроструктур.
     
     Заместитель руководителя отдела разработки микромеханических систем РКС Андрей Корпухин: "В РКС развивают и совершенствуют эту технологию с 2007 года. Мы применяем процессы микроэлектронного производства: формирование тонкопленочных диэлектрических и проводящих слоев, фотолитографию, жидкостное и плазмохимическое селективное травление и другие. Для создания высокотехнологичных чувствительных элементов используются материалы, изготовленные в России".
     
     Запуск нового производства показал, что выход годных микрокомпонентов, соответствующих конструкторской документации, достигает 70%, тогда как при других методах эти показатели не превышают и 30%. Благодаря применяемым в РКС ноу-хау достигнута точность кремниевых элементов микроэлектромеханической системы акселерометров и гироскопов до 1 микрометра и увеличена точность микрообработки кварцевых чувствительных элементов в 5 раз по сравнению с традиционными технологиями.
     
     Применение микросистем
     
     Новые акселерометры и гироскопы будут высокоточными и малогабаритными - снизятся вес и энергопотребление спутников. Достигнутые параметры открывают перспективы для их эксплуатации в жестких условиях открытого космоса. Эти устройства будут применяться в системах управления и автономной навигации ракет-носителей, на орбитальных аппаратах, межпланетных и спускаемых модулях. В будущем они станут основой инновационных гироскопов и акселерометров перспективных космических аппаратов - от кубсатов до межпланетных станций.
     
     Высокотехнологичные микрокомпоненты имеют большой коммерческий потенциал, так как получили широкое распространение в некосмических сферах. Например, их также применяют при бурении нефтяных скважин, в транспорте, авиации, воздушных, наземных беспилотных системах, промышленной технике и различных портативных устройствах. Высокая точность изготовления позволит использовать их в приборах навигационного класса и более широком сегменте high-end техники.
     
     Заместитель генерального конструктора РКС Николай Рябогин: "Это не предел совершенствования миниатюрных инерциальных навигационных систем. Разработка комплексированных навигационных систем, объединяющих информацию датчиков, функционирующих на разных физических принципах, основана на совместной обработке первичной информации для повышения надежности и точности навигационного решения".
     
     Математическая обработка информации микромеханических гироскопов, приемника сигналов систем спутниковой навигации и звездных датчиков позволяет определять навигационные параметры с высокой точностью, которая необходима для работы системы управления движением космических аппаратов. Решение РКС объединяет вычислительную систему на кристалле, совмещенную с навигационным приемником, микромеханическими гироскопами и информацией от звездных датчиков - такая миниатюрная система с совместной обработкой первичной информации и методами фильтрации обеспечит комплексное решение навигационной задачи.

Источник