Исследование микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

им. В.И. Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ)

 

Направление 200100.62

 

Кафедра ЛИНС

 

 

К защите допустить:

Руководитель направления

 

 

 

ВЫПУСКНАЯ

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

 

 

 

Тема: Исследование микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах

 

 

 

 

 

Студент		Шкурко Д.В.		/                                 /
Руководитель		Шевченко С.Ю.		/                                 /
Зав. кафедрой		Филатов Ю.В.		/                                 /

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

 

2013  г.

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………..3

Глава 1. Анализ существующих акселерометров…………………………….10

1. Классификация ММА…………………………………………………….10
1. По наличию обратной связи……………………………………………..12
2. По характеру перемещения инерционной массы………………………13
3. По способу съема выходного сигнала…………………………………..19

Глава 2. Моделирование ЧЭ с прямоугольной формой консоли……………30

Глава 3. Экспериментальные исследования…………………………………..42

3.1. Описание экспериментального макета…………………………………….42

3.2. Градуировка ММА на ПАВ в гравитационном поле Земли…………….44

3.3. Оценка чувствительности микромеханического акселерометра (ММА) к ускорениям больше 1g………………………………………………………….47

3.4. Оценка влияния гравитационных сил на чувствительный элемент (ЧЭ) ММА при действии ускорения ортогонально оси чувствительности……….51

 

 

Заключение……………………………………………………………………….54

Литература……………………………………………………………………….55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

На сегодняшний день одним из важнейших направлений развития микросистемной техники является разработка микромеханических датчиков и систем. Микромеханические акселерометры (ММА) – перспективные приборы современной микросистемой техники, интенсивно и динамично развивающегося научно-технического направления. Микромеханические акселерометры характеризуются уникально малыми массой и габаритами, низким потреблениям электроэнергии, возможностью функционирования в жестких условиях эксплуатации и на несколько порядков меньшей стоимостью, чем их традиционные аналоги. Определенные перспективы открываются при переходе к специфическому классу приборов и систем, использующих свойства поверхностных акустических волн (ПАВ) в пьезоэлектриках. Их основным элементом являются линии задержки и резонаторы, свойства которых зависят от измеряемых параметров движения. Исключительная простота кинематической схемы и высокий уровень конструктивной интеграции создают предпосылки для повышения точностных характеристик, уменьшения общих габаритов и существенного уменьшения общей стоимость их производства. Поэтому разработка датчиков на ПАВ представляется актуальной.

Целью работы является оценка характеристик микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах.

Объектом исследования является микроакселерометр на ПАВ.

Для достижения поставленной цели в дипломной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ существующих микроакселерометров.
2. Градуировка ММА на ПАВ в гравитационном поле Земли.
3. Оценка влияния ускорения на смещение частоты ПАВ-резонатора.

 

4. Оценка чувствительности микромеханического акселерометра (ММА) к ускорениям больше 1g.
5. Оценка влияния гравитационных сил на чувствительный элемент (ЧЭ) ММА при действии ускорения ортогонально оси чувствительности.

 

Акселерометры реагируют на ускорение, действующее на чувствительный элемент датчика. Ускорение, статическое или динамическое, возникает под действием силы, ускоряющей датчик, например, вследствие действия гравитации. Следовательно, акселерометры могут применяться для измерения силы, ускорения, вибрации, движения или перемещения, а также положения и угла наклона. Линейка однокристальных интегральных акселерометров компании Analog Devices Inc. (ADI), выполненных по технологии iMEMS, покрывает практически все области применения устройств подобного типа — от систем управления автомобильными подушками безопасности до сотовых телефонов [1].

Области применения акселерометров определяются их основными параметрами, а также их соотношением. Важнейшими параметрами акселерометра являются диапазон измеряемых ускорений, чувствительность, выражаемая обычно как отношение сигнала в вольтах к ускорению, нелинейность в процентах от полной шкалы, шумы, температурные дрейфы нуля (смещения) и чувствительности. Благодаря этим качествам они нашли свое применение во множестве отраслей:

• военная и гражданская авиация;
• автомобилестроение;
• аэрокосмическое приборостроение;
• робототехника;
• военная промышленность;
• нефтяная и газовая промышленность;
• спорт;
• медицина.

 

В ряде случаев существенной характеристикой оказывается собственная частота колебаний сенсора ω0 или резонансная частота ƒ0, определяющая рабочую полосу частот датчика. В большинстве применений важны температурный диапазон и максимально допустимые перегрузки — характеристики, связанные с условиями эксплуатации датчиков.

Определяющими параметрами, влияющими на точность определения ускорения, являются дрейфы нуля и чувствительности (в основном температурный), а также шумы датчика, ограничивающие порог разрешения устройства. Чувствительность датчика зависит от резонансной частоты механической подсистемы, а также качества электронного преобразователя.

Изменение чувствительности с температурой связано в основном с изменением коэффициента упругости. Температурный дрейф нуля обусловлен изменением коэффициента упругости, тепловым расширением и технологическими погрешностями изготовления сенсора. Изменение параметров электронной части датчика под действием температуры, как правило, существенно меньше.

Поскольку акселерометр измеряет ускорение или силу, вызывающую ускорение инерционной массы, физическая модель акселерометра представляет собой инерционную массу, подвешенную на пружине, закрепленной в неподвижном корпусе, - простую систему с одной степенью свободы x в направлении измерительной оси (рис.а). Инерционная масса приобретает ускорение под действием ускоряющей силы (равнодействующей силы инерции при воздействии ускорения), пропорциональной массе m и ускорению a:

 

                                                       F = ma.                                                  (1)           

 

 

     

Рис. 1. Физическая модель акселерометра:

а – конструкция физической модели: 1 – неподвижный корпус; 2 – пружина, закрепленная в корпусе; 3 – инерционная масса; б – силы, действующие на модели.

 

Сила упругости (жесткости) пружины в этой модели уравновешивает перемещение инерционной массы m относительно корпуса:

                                                        F = kx,                                                (2)

где k – жесткость пружины, х – перемещение массы относительно исходной точки.

Из формул (1) и (2) следует, что

а = x(k/m),

где k/m – конструктивный параметр датчика.

В соответствии с данной моделью в основе классификации акселерометров лежит различие в способах получения электрического сигнала при детектировании движения инерционной массы.

Согласно физической модели (рис. 1) функциональное назначение акселерометра и линейность предполагают получение линейной передаточной характеристики — зависимости выходного напряжения от детектируемого ускорения преимущественно в аналоговом или ШИМ-формате (рис. 2).

 

Рис. 2. Передаточные характеристики акселерометра: а — линейная выходная характеристика: а, g — детектируемое ускорение; amin, amax — амплитудные значения колебаний ускорения; Gmax = amin + amax — максимальный диапазон; U — выходное напряжение; UClampHigh, UClampLo — ограничивающие уровни; U0q — среднеквадратическое напряжение; 1 — униполярная выходная характеристика; 2 — инвертированная униполярная выходная характеристика; б — ШИМ-выходная характеристика: a — детектируемое ускорение; amin, amax — амплитудные значения колебаний ускорения; Gmax — максимальный диапазон; tmin, t50%,  tmax — длительности импульсов (tmin — минимальная длительность при минимальном ускорении, t50% — длительность импульса, соответствующая 50%-ному рабочему циклу при нулевом ускорении, tmax — максимальная длительность при максимальном ускорении); ТШИМ и fШИМ — постоянные значения периода и частоты ШИМ-сигнала.

 

В соответствии с данным определением основными рабочими характеристиками акселерометров принимаются:

• максимально детектируемый диапазон ускорений a (полная шкала) Gmax, равный пиковому размаху детектируемых амплитудных значений amax и amin;
• динамический диапазон амплитуды — отношение максимального диапазона измерений к шумам;
• чувствительность — изменение выходного сигнала, например аналогового напряжения, за единицу изменения в ускорении:

 

• среднеквадратическое напряжение U0q — среднее из ограничительных уровней выходного сигнала UClampLow, UClampHigh (аналогично определяется среднеквадратический рабочий цикл);
• смещение нуля — отклонение по оси выходного сигнала (U), соответствующее нулевому значению ускорения (0g);
• дрейф чувствительности — вариации чувствительности, не являющиеся функцией измеренной переменной, например в зависимости от температуры T, отличной от комнатной температуры (температурный дрейф).
• дрейф смещения — отклонение среднеквадратического напряжения U0q от теоретического значения в полном диапазоне, например вследствие влияния температуры T по сравнению с температурой в 25 °C.
• нелинейность — максимальное отклонение выхода от идеально прямой линии графика ускорения в зависимости от выхода, выраженное в процентах от полной шкалы.
• рабочий частотный диапазон ƒ;
• резонансная частота ƒ0 или ω;
• разрешение — самый малый уровень g, который способен измерить акселерометр (преимущественно определяемый шумами и рабочей шириной полосы частот);
• число измерительных осей;
• поперечная осевая чувствительность — процентное выражение поперечного ускорения (или действующего под углом 90°), отображаемого на выходе акселерометра (у идеального акселерометра поперечная чувствительность равна нулю);
• масса (малая в сравнении с детектируемой системой);
• рабочий температурный диапазон T;
• чувствительность к акустическим шумам;
• коэффициент демпфирования (затухания колебаний).

 

 

Глава 1. Анализ существующих акселерометров.

 

1. Классификация ММА.

 

При построении современных микромеханических акселерометров используются те же концепции, которые уже отобраны на их микроаналогах, однако их конструктивная реализация, определяемая особенностями микротехнологий, имеет принципиальные отличия.

При всем имеющемся многообразии современных ММА концепции их построения можно условно разделить на несколько основных групп по признакам, которые приведены на рис. 3. [2]