Un giroscopio per i sistemi di navigazione

SENSORI & MEMS –

Un nuovo giroscopio realizzato da Murata garantisce un rilevamento preciso senza dar luogo a perdite di precisione a causa delle forze di accelerazione.

I sistemi di navigazione di serie non sono più costose opzioni disponibili solamente per le vetture di fascia alta, ma si stanno diffondendo in una gamma sempre più ampia di modelli. Un fenomeno di questo tipo comporta la necessità di aumentare il livello di prestazioni e di precisione della velocità angolare utilizzata dal sistema di navigazione.
In particolare, la capacità di fornire le informazioni direzionali senza che queste vengano influenzate dai disturbi del sensore di accelerazione e decelerazione del veicolo è divenuto un elemento di importanza assimilabile alla stabilità nei confronti della temperature e della deriva. Per queste applicazioni sono stati utilizzati i sensori giroscopici Mems, ma a causa dell'incremento del livello di precisione richiesto, è aumentata l'esigenza di ridurre l'impatto delle forze dovute all'accelerazione. Tra i miglioramenti apportati ai giroscopi Mems si possono annoverare l'uso di tecniche quali il disaccoppiamento delle modalità di oscillazione e l'impiego di una struttura tradizionale di un elemento giroscopico generico per i navigatori montati a bordo delle auto. Entrambi questi approcci, in ogni caso, risultano sensibili in qualche misura ai fenomeni di accelerazione. Mentre l'uso della struttura tradizionale di un elemento giroscopico generico permette di ridurre questa sensibilità, potrebbe essere causa di fenomeni di accoppiamento meccanico a causa di errori durante il processo di fabbricazione.

L'approccio modulare
Un recente approccio per ridurre la sensibilità prevede l'uso di una struttura modulare. Ad esempio il giroscopio Mems MEV-50C-R di Murata adotta una struttura di questo tipo per garantire una notevole diminuzione delle sensibilità ai fenomeni di accelerazione, un'elevata linearità di uscita oltre ad eccellenti caratteristiche di stabilità termica.
Il giroscopio Mems è stato realizzato con una struttura modulare e ha quattro masse collegate da due aste diritte parallele. Durante la guida le masse possono oscillare in direzioni opposte, lungo un asse X a causa della forza elettrostatica. Ogni massa ha la stessa ampiezza di oscillazione, in quanto le quattro masse sono collegate in maniera sicura l'una con l'altra. L'intero componente mobile è ancorato al substrato con aste di supporto flessibili ai sei punti nodali circostanti. Le strutture interne delle due masse centrali si muovono nella direzione dell'asse Y e integrano un paio di elettrodi a pettine (comb electrode) per il rilevamento. Per l'oscillazione delle strutture interne sono previste due modalità. Una è la modalità antiparallela prodotta dal movimento angolare e l'altra è la modalità parallela causata dall'accelerazione. Quando viene applicata una rotazione attorno all'asse Z durante l'oscillazione dovuta alla guida, la forza di Coriolis provoca l'oscillazione anti-parallela. In un'oscillazione di questo tipo, un cambiamento di capacità pari a (∆C1L + ∆C2L) - (∆C1R + ∆C2R) corrisponde alla velocità angolare, dove ∆C1L indica la variazione di capacità tra l'elettrodo fisso 1L) e l'elettrodo mobile che si affaccia ad esso. In modalità parallela, a causa dell'accelerazione indesiderata, (∆C1L + ∆C2L) e (∆C1R + ∆C2R) possono essere azzerati poiché le variazioni delle capacità connesse, ∆C1L e ∆C2L, hanno ampiezza uguale ed opposta. Sebbene le variazioni di capacità in modalità parallela producano un segnale in uscita, in un giroscopio è possibile ridurre in maniera significativa la sensibilità all'accelerazione. La sensibilità del giroscopio dipende direttamente dalla distanza tra gli elettrodi di rilevamento fissi e quelli mobili. Quando gli elettrodi fissi si muovono a causa delle sollecitazioni termiche del package, le distanze negli elettrodi 1L e2L e 1R e 2R variano in maniera uguale ed opposta le une dalle altre, annullandosi di conseguenza. Utilizzando questo approccio è dunque possibile evitare che la sensibilità del giroscopio possa venire influenzata da variazioni di temperatura e forze di accelerazione.

Elevata precisione
Per la realizzazione del giroscopio MEV30 di Murata viene utilizzato un substrato di silicio e uno di vetro con una cavità, che sono connessi mediante un incollaggio anodico (anodic bonding). Effettuata la pulitura (polishing) si procede alla rimozione selettiva del silicio (etching) per ottenere il giroscopio utilizzando tecniche Drie (Deep Reactive Ion Etching). L'elemento Mems viene quindi integrato con un dispositivo Asic in un singolo package a montaggio superficiale di dimensioni pari a 6.2 x 6.2 x 2.9 mm. Il circuito Asic utilizza un circuito analogico tradizionale per i convertitori CV e integra uno sfasatore, amplificatori differenziali, un filtro passa basso e un demodulatore sincrono. Il giroscopio Mems MEV50 richiede una singola alimentazione a +5 Vdc ed è caratterizzato da una velocità angolare massima pari a ±70°/s. Con un'uscita nulla nominale a 2,5V, l'uscita varia in misura pari a ±25 mV per grado per secondo. L'errore di linearità di uscita è inferiore allo 0,5% su fondo scala, in modo da assicurare ottime prestazioni in tutto l'intervallo. Nel caso di applicazioni che prevedono giroscopi Mems, durante il processo di selezione i progettisti devono esaminare con molta attenzione la sensibilità all'accelerazione del dispositivo. Questa sensibilità può dar luogo a una visualizzazione poco accurate delle informazioni relative alla navigazione nel sistema finale, con le inevitabili conseguenze negative sul guidatore che deve seguire la strada indicata dall'apparato. Per esempio, la sensibilità all'accelerazione di MEV-50 è inferiore a 0,1°/s in presenza di una forza pari a 9,8 m/s2. In definitiva Murata ha sviluppato un giroscopio Mems con struttura modulare che include quattro masse collegate da due aste diritte parallele. Il modulo del sensore di questo giroscopio si distingue per la bassa sensibilità all'accelerazione e per la stabilità delle caratteristiche in presenza di variazioni di temperatura. Per le sue specifiche, questo giroscopio più essere impiegato per la realizzazione di sistemi di navigazione per auto che richiedono una precisione molto elevata.

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