Problemas de materiais que afetam a estabilidade a longo prazo da precisão do giroscópio MEMS e contramedidas.

Pontos-chave

**Produto:** Giroscópio MEMS para Instrumentos Inerciais

**Características:**

– **Materiais:** Ligas metálicas, materiais funcionais, polímeros orgânicos, não metais inorgânicos
– **Fatores que influenciam a estabilidade:** Defeitos microscópicos, tamanho do grão, textura, tensão interna
– **Impacto Ambiental:** O desempenho é afetado por sobrecarga, vibração e ciclos de temperatura.
– **Regulamentação da Microestrutura:** Utilização de compósitos de SiC/Al para reduzir a densidade de discordâncias e melhorar a resistência.

**Vantagens:** Aumenta a precisão e a estabilidade a longo prazo; o controle personalizado da microestrutura garante confiabilidade em condições variáveis, o que é crucial para aplicações aeroespaciais e de perfilagem de precisão.

Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da exploração de petróleo, da indústria aeroespacial, da mineração, da topografia e do mapeamento, entre outros campos, a precisão e a estabilidade a longo prazo de instrumentos de precisão, como o giroscópio MEMS, tornaram-se cada vez mais urgentes. Estudos têm demonstrado que a instabilidade dimensional dos materiais é uma das principais razões para a baixa precisão e estabilidade dos instrumentos inerciais. A estabilidade dimensional difere da expansão térmica ou do desempenho em ciclos térmicos; ela é o principal índice de desempenho dos materiais de componentes mecânicos de precisão e refere-se à capacidade dos componentes de manterem suas dimensões e forma originais em um ambiente específico.

Material para instrumento inercial baseado em giroscópio MEMS

Existem quatro tipos principais de materiais para componentes de instrumentos inerciais: primeiro, metais (como alumínio e ligas de alumínio, aço inoxidável, cobre e ligas de cobre, ligas de titânio, berílio, ouro, etc.) e seus materiais compósitos; segundo, materiais funcionais (como ligas magnéticas macias de ferro-níquel, ligas magnéticas duras de samário-cobalto, ligas magnéticas duras de alumínio-níquel-cobalto, etc.); terceiro, polímeros orgânicos (como politetrafluoroetileno, borracha, resina epóxi, etc.); e quarto, materiais inorgânicos não metálicos (como vidro de quartzo, cerâmicas processáveis, etc.), dos quais a maior parte é composta por metais e seus materiais compósitos.

Nos últimos anos, fizemos avanços significativos na fabricação por usinagem de alta precisão e na tecnologia de montagem com baixo ou nenhum estresse, mas ainda constatamos que, após a entrega do instrumento, ocorre uma lenta deriva na precisão e não se consegue alcançar estabilidade a longo prazo. De fato, após a definição do projeto estrutural, do processamento das peças e do processo de montagem, a estabilidade da precisão do instrumento a longo prazo depende das características intrínsecas do material.

As propriedades intrínsecas do material (como defeitos microscópicos, segunda fase, tamanho de grão, textura, etc.) afetam diretamente a estabilidade dimensional do material. Além disso, o material do instrumento também sofrerá alterações dimensionais irreversíveis sob a interação com o ambiente externo (campo de tensão, campo de temperatura e tempo, etc.). A Figura 1 mostra a relação entre a precisão do instrumento inercial e as condições de serviço, a microestrutura do material e a variação dimensional. Tomando como exemplo um giroscópio MEMS, suas condições de operação e ambiente de armazenamento impactam a estabilidade dimensional do material. Mesmo que o giroscópio MEMS possua um sistema de controle de temperatura, se a microestrutura do próprio material for instável, houver uma segunda fase metaestável ou tensões residuais macro/microscópicas durante a montagem, a precisão do instrumento sofrerá deriva.

Figura 1. Relação entre a precisão dos instrumentos inerciais, as condições de serviço, a microestrutura e as alterações dimensionais.

Fatores que influenciam a mudança material

As propriedades intrínsecas dos materiais dos giroscópios MEMS incluem principalmente defeitos microscópicos, segunda fase, grãos, textura e tensão interna, etc. Os fatores ambientais externos interagem principalmente com as propriedades intrínsecas, causando alterações dimensionais.

1. Densidade e morfologia de defeitos microscópicos

Defeitos microscópicos em metais e ligas incluem vacâncias, discordâncias, maclas e contornos de grão, etc. A discordância é a forma mais típica de defeito microscópico, referindo-se aos defeitos formados pelo arranjo irregular de átomos em cristais regularmente organizados, como a ausência ou o aumento de meio plano atômico em discordâncias de aresta. Devido à introdução de volume livre em cristais perfeitos pelas discordâncias, ocorrem alterações no tamanho do material, como mostrado na Figura 2. No entanto, no caso de um mesmo número de átomos, a presença de discordâncias cria volume livre ao redor dos átomos, o que se reflete no aumento do tamanho da liga.

Figura 2. Esquema do efeito da densidade de defeitos microscópicos nos materiais sobre a dimensão do material.

2. Influência do grão e da textura na estabilidade

A relação entre a deformação ε do metal ou liga sob tensão aplicada σ e o tamanho do grão d do material, a densidade ρ da deslocação móvel, a tensão σ0 necessária para o início da primeira deslocação e o módulo de cisalhamento G do material é derivada:

Pela fórmula, pode-se observar que o refinamento de grãos pode reduzir a tensão gerada, o que também orienta a regulação da microestrutura no processo de estabilização.
Além disso, na produção real, ao usar barras extrudadas e chapas laminadas para processar componentes de instrumentos de precisão, também é necessário atentar para a anisotropia do material, como mostrado na Figura 3. Tomando como exemplo a liga de alumínio 2024 para a estrutura de um giroscópio mecânico, a estrutura na Figura 3(a) geralmente adota uma barra extrudada de liga de alumínio 2024. Devido à grande deformação plástica, os grãos apresentarão orientação preferencial, formando textura, como mostrado nas Figuras 3(b) e (c). Textura refere-se ao estado em que a orientação cristalina do material policristalino se desvia significativamente da distribuição aleatória.

Figura 3. Microestrutura da barra de liga de alumínio 2024 para armações de giroscópios mecânicos.

Produtos no artigo

3. A influência do ambiente na estabilidade dimensional dos materiais

Em geral, os instrumentos inerciais precisam manter a estabilidade da precisão a longo prazo sob condições como sobrecarga significativa, vibração, choque e ciclos térmicos, o que impõe requisitos de estabilização mais exigentes para a microestrutura e as propriedades dos materiais. Tomando como exemplo compósitos de SiC/2024Al de grau instrumental, a estabilidade dimensional a longo prazo é alcançada com o processo de estabilização na fabricação de estruturas de instrumentos inerciais. Os resultados mostram que a amplitude da variação dimensional (~ 1,5×10⁻⁴) causada pelo processo de manutenção de temperatura constante do compósito de SiC/alumínio puro (onde apenas a tensão interna influencia a variação dimensional) é maior do que a do processo de manutenção de temperatura constante da liga de alumínio (onde apenas a precipitação por envelhecimento influencia a variação dimensional) (~ -0,8×10⁻⁴). Quando a matriz se torna liga de Al, o efeito da tensão interna do compósito na variação dimensional será ainda mais amplificado, como mostrado na Figura 4. Além disso, sob diferentes ambientes de serviço, a tendência de variação da tensão interna do mesmo material é diferente, podendo até mesmo apresentar tendências opostas de variação dimensional. Por exemplo, os compósitos SiC/2024Al produzem liberação de tensão compressiva a uma temperatura constante de 190 °C, e o tamanho aumenta, enquanto a liberação de tensão de tração ocorre em 500 choques frios e quentes a -196 ~ 190 °C, e o tamanho diminui.

Portanto, ao projetar e utilizar compósitos de matriz de alumínio, é necessário verificar completamente a temperatura de serviço, o estado de tensão inicial e o tipo de material da matriz. Atualmente, a ideia de projeto de processo baseada na estabilização de tensões consiste em submeter o material a choques térmicos e a frio em toda a sua faixa de temperatura de serviço, liberar a tensão interna, formar um grande número de estruturas de deslocamento estáveis ​​dentro do material compósito e promover uma grande quantidade de precipitação secundária.

Figura 4. Alterações dimensionais em ligas de alumínio e compósitos durante o envelhecimento a temperatura constante.

Medidas para melhorar a estabilidade dimensional dos componentes

1. Regulação e otimização de microdefeitos

A seleção de um novo sistema de materiais é uma maneira eficaz de controlar microdefeitos. Por exemplo, o uso de compósitos SiC/Al de grau instrumental, partículas cerâmicas de SiC para fixar as discordâncias na matriz de alumínio, reduzir a densidade de discordâncias móveis ou alterar o tipo de defeito no metal. Tomando como exemplo os compósitos SiC/Al, a pesquisa mostra que, quando a distância média entre as partículas cerâmicas nos compósitos é reduzida para 250 nm, é possível preparar um compósito com falha de camada, e o limite elástico desse compósito é 50% maior do que o do compósito sem falha de camada, conforme mostrado na Figura 5.

Figura 5. Dois tipos de morfologia de material compósito.

É importante destacar que, ao desenvolver a rota de processo para o controle organizacional, também é necessário selecionar o sistema de materiais adequado e os parâmetros de processo de choque térmico e a frio, em combinação com as condições de estresse e a faixa de temperatura de operação do ambiente de serviço do instrumento inercial. No passado, a seleção do sistema de materiais e dos parâmetros de processo baseava-se na experiência e em um grande número de dados de desempenho, o que resultava em uma base teórica insuficiente para o projeto do processo devido à falta de suporte microestrutural. Nos últimos anos, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de testes analíticos, a avaliação quantitativa ou semiquantitativa da densidade e morfologia de defeitos microscópicos pode ser realizada por meio de difratômetro de raios X, microscópio eletrônico de varredura e microscópio eletrônico de transmissão, o que fornece suporte técnico para a otimização do sistema de materiais e a seleção do processo.

2. Regulação do grão e da textura

O efeito da textura na estabilidade dimensional é a anisotropia que causa a alteração dimensional. Como mencionado anteriormente, a estrutura do giroscópio MEMS possui requisitos verticais extremamente rigorosos nas direções axial e radial, e o erro de processamento precisa ser controlado na ordem de micrômetros para evitar o desvio do centroide do giroscópio MEMS. Por esse motivo, a barra extrudada de alumínio 2024 foi submetida a tratamento térmico de deformação. A Figura 6 mostra as fotos metalográficas da liga de alumínio 2024 extrudada com 40% de deformação por compressão axial e as fotos da microestrutura antes e depois da deformação térmica. Antes do tratamento térmico de deformação, é difícil calcular o tamanho do grão axial, mas após o tratamento, o grau de equiaxialidade do grão na borda da barra é de 0,98, representando um aumento significativo. Além disso, pode-se observar na figura que a diferença na resistência à pequena deformação entre os eixos axial e radial da amostra original é de 111,63 MPa, demonstrando forte anisotropia. Após o tratamento térmico de deformação, os valores de resistência à pequena deformação axial e radial foram de 163 MPa e 149 MPa, respectivamente. Comparando com a amostra original, a razão entre a resistência à pequena deformação axial e radial passou de 2,3 antes do tratamento térmico de deformação para 1,1, indicando que a anisotropia do material foi melhor eliminada após o tratamento térmico de deformação.

Figura 6. Diagrama esquemático do tratamento isotrópico, alterações microestruturais e testes de desempenho da barra de liga de alumínio.

Portanto, quando barras ou placas de liga de alumínio precisam ser usadas para processar componentes de instrumentos inerciais, recomenda-se aumentar a etapa de tratamento térmico de deformação, eliminar a textura, obter uma organização isotrópica e evitar a anisotropia da deformação. As informações estatísticas da textura podem ser obtidas por EBSD em MEV, TKD em MET ou DRX tridimensional, e as alterações de textura podem ser analisadas quantitativamente.

Conclusão

Considerando a necessidade urgente de estabilidade de precisão a longo prazo em instrumentos inerciais, este artigo revisa sistematicamente a influência da estabilidade dimensional sob a perspectiva da ciência dos materiais e propõe maneiras de aprimorar a estabilidade de precisão a longo prazo desses instrumentos a partir das características intrínsecas dos materiais. O NF-1000, encapsulado em cerâmica LCC, é um giroscópio MEMS de localização do norte aprimorado, baseado no MG-502, cujo alcance foi ampliado de 50-100°/s para 500°/s, um marco importante. Os materiais são cruciais para a estabilidade a longo prazo desses instrumentos e constituem a base para seu melhor desempenho.

Espero que, por meio deste artigo, você tenha conseguido compreender o funcionamento dos giroscópios MEMS. Para obter mais informações, consulte os produtos e artigos relacionados.