Исследование микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. По наличию обратной связи.

 

Компенсационные (с обратной связью)

В этих приборах осуществляется автоматическое уравновешивание силы инерции ЧЭ другой силой, которую можно создать и измерить с необходимой точностью. Акселерометры подобного типа представляют собой измерительную систему с отрицательной обратной связью, которая позволяет уменьшить значение относительной погрешности.

Рассмотрим структурную схему компенсационного акселерометра, показанную на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема компенсационного акселерометра.

 

На ней акселерометр 1 охвачен отрицательной обратной связью. Передаточный коэффициент системы запишем в виде:

 

                                

,                                     (3)

где K1 и K2 - передаточные коэффициенты звеньев прямой и обратной связи соответственно.

Если на выходах звеньев 1 и 2 имеются погрешности ΔX1 и ΔX2, то при отсутствии входного сигнала (Xвх = 0) результирующая погрешность на выходе

 

                               

.                                     (4)

Разделив левую и правую части уравнения (4) на Xвых , получим величину относительной ошибки:

 

,

где К1 = ΔX1/Xвых; К2 = ΔX2/Xос - относительные погрешности звеньев 1 и 2.

Соответствующим выбором коэффициентов K1 и K2 можно управлять значением результирующей ошибки δ. Обеспечив K1K2 >>1, получим δ » –δ2.

Таким образом, ошибка прямого канала (звено 1) оказалась исключенной, а суммарная ошибка теперь определяется только ошибкой канала обратной связи (звено 2), которую в общем случае можно сделать достаточно малой.

Сразу же отметим, что уменьшение результирующих ошибок акселерометра достигается ценой снижения его чувствительности, которая пропорциональна коэффициенту передачи акселерометра. Из выражения (3) видно, что всегда K < K1, т. е. в компенсационной схеме коэффициент передачи акселерометра уменьшается при введении отрицательной обратной связи.

 

2. По характеру перемещения инерционной массы (ИМ).

 

а) Маятниковый акселерометр

Конструктивная схема микромеханического акселерометра маятникового типа приведена на рис. 5, инерционная масса с опорным элементом и торсионами на рис. 6.

 

Рис. 5 Конструктивная схема микромеханического акселерометра

маятникового типа:

1 – корпус; 2 – инерционная масса; 3 – торсионы; 5 – неподвижные электроды; 6 –  опорный элемент; 7 – диэлектрическая  крышка.

 

Рис. 6 Пространственная модель инерционной массы.

 

Микромеханический акселерометр представляет собой капсулированный элемент, образованный корпусом 1, выполненным в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами 5 емкостного датчика угла и электростатического датчика момента и диэлектрической крышки 7. Крышка скреплена с корпусом 1.

Основой акселерометра является монокристаллический кремневый элемент – маятник размерами 0,8x1,0x0,015. Инерционная масса 2 подвешена с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках – торсионах 3 за опорный элемент 6. Торсионы представляют собой устройство демпфирования сечением 12х15 мкм, которое позволяет инерционной массе останавливаться при полном диапазоне колебаний, защищая устройство от механического удара.  Инерционная масса, торсионы и опорный элемент выполнены в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия.

Напыленные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика моменты выполнены единым элементом и в совокупности представляют собой электронную схему обработки сигналов.

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х инерционная масса 2 отклоняется от своего исходного состояния. При этом изменяются величины емкостей конденсатора, образованного неподвижными электродами 5 и инерционной массой 2. Съем информации производится с помощью емкостного датчика перемещений. Сигнал отклонения преобразуется электронной схемой и приводит к возникновению электростатического момента, стремящегося возвратить инерционную массу 2 в исходное состояние. В установившемся состоянии сигнал с выхода электронной схемы является выходным сигналом микромеханического акселерометра.

График зависимости перемещения чувствительного элемента маятникового типа от преобразуемого им линейного ускорения приведен на рисунке 7.

Рис. 7. График зависимости перемещения инерционой массы акселерометра маятникового типа от воздействия линейного ускорения.

 

б) Осевой акселерометр

Данный акселерометр относится к устройствам для измерения ускорения объекта в условиях вибрации и может быть использовано для контроля положения подвижного объекта.

Конструктивная схема чувствительного элемента осевого типа, представлена на рисунке 8. Пространственная модель представлены на рисунке 9.

Рис. 8.  Конструктивная схема ММА осевого типа.

1 – инерционная  масса; 2 – торсионы; 3 – неподвижные  пластины.

 

Рис.9. Пространственная геометрическая модель чувствительного элемента.

 

Чувствительный элемент относится к типу акселерометров с поступательным перемещением чувствительной массы. Он представляет собой пластину, изготовленную из монокристаллического кремния – инерционная масса 1, толщиной 15 мкм и размерами в плоскости подвеса 0,5х1,0 мм, расположенную с зазорами относительно корпуса, подвешенную к нему на четырех упругих торсионах 2. В результате образуется упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы вдоль оси, лежащей в плоскости инерционной массы. Съем информации производится по дифференциальной схеме с помощью гребенчатого емкостного датчика перемещений. 

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х инерционная масса 1 отклоняется от своего исходного состояния. Сигнал, снимаемый с датчика перемещений, приводит к возникновению электростатических сил, стремящихся возвратить инерционную массу 1 в установившееся положение. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на инерционную массу, уравновешивается электростатическими силами гребенчатого датчика силы.

График зависимости перемещения инерционной массы осевого типа от амплитуды воздействующего линейного ускорения приведен на рисунке 10.

 

Рис.  10. График зависимости перемещения инерционной массы осевого типа от амплитуды воздействующего ускорения линейного.

 

 

3. По способу съема выходного сигнала. 

 

а) Емкостные

Емкостные датчики используются для решения широкого круга         задач — этот тип устройств позволяет определять положение, перемещение, ускорение и многие другие параметры. Применение емкостной технологии в автоэлектронике ассоциируется именно с акселерометрами, которые получили наиболее широкое распространение благодаря их высокой чувствительности, стабильности при детектировании статического ускорения, малого дрейфа, низкой температурной чувствительности, малой потребляемой мощности, высокой надежности, хорошим шумовым свойствам, удовлетворительному разрешению и точности, низкой цене.

Принцип действия емкостного акселерометра основан на изменении емкости чувствительного элемента с электродами при перемещении инерционной массы, являющейся его частью, под действием ускорения.

Большинство МЭМС-акселерометров использует принцип, в котором ускорение изменяет расстояние d между обкладками и, таким образом, емкость конденсатора. Датчик преобразует изменение емкости акселерометра в выходной сигнал — электрический заряд, напряжение или ток.

Типичный емкостный элемент состоит из двух фиксированных элементов – между ними подвешена подвижная обкладка, нагруженная инерционной массой, которая представляет собой общий электрод емкостного полумоста (рис. 11, а – г).

 

 

 

Рис. 11. Измерительный принцип дифференциального емкостного акселерометра: а, б – физическая модель измерительной структуры: 1, 3 – неподвижные металлические обкладки; 2, 4 – зафиксированные печатные платы; 5 – подвижная обкладка; 6 – инерционная масса; 7, 8 – слои диэлектрика; S – фиксированная площадь перекрытия обкладок; d1, d2 – переменные расстояния между обкладками; а – акселерометр в состоянии покоя; б – под действием ускорения а; в – эквивалентная электрическая схема; г – размещение измерительных осей и степеней свободы относительно корпуса ИС.

 

 

г) Преобразователи на p-n-переходах.

Рис. 12. Тензометр на туннельном диоде.

 

На рис. 12 представлен тензодатчик с туннельным диодом и омическим контактом, смонтированный  на консольной балке. Туннельный p-n-переход получен путем вплавления кончика проволоки из алюминия с добавкой 1% бора в пластинку из кремния. Кремниевая пластинка вырезана и укреплена на консоли таким образом, что вплавление производится на плоскость, соответствующую кристаллографической плоскости. Кремний легирован сурьмой до концентрации 5·1019 атомов в см3. Тензодатчик прикреплен к консольной балке из бериллиевой бронзы эпоксидной изолирующей смолой. Для питания устройства используется источник постоянного тока. Когда на консоль действует сила F1, p-n-переход туннельного диода подвергается одноосному растяжению в плоскости перехода. Аналогично при приложении силы F2 переход испытывает одноосное напряжение сжатия. В результате воздействия этих напряжений вольт-амперная характеристика диода изменяется.  

Чувствительность туннельного диода к силовой нагрузке может быть повышена, если использовать участок вольт-амперной характеристики с отрицательным сопротивлением. Это можно осуществить, если шунтировать диод сопротивлением Rш при условии

 

где R0 – отрицательное сопротивление диода, С – емкость перехода, Rd – внутреннее последовательное сопротивление диода, L – индуктивность всей схемы.

Работа тензодатчика с туннельным диодом в режиме усиления объяснена на рис. 13.

 

Рис. 13. Принцип действия тензометра с туннельным диодом: а - большая разность между Rш  и R0 соответствует малой чувствительности, б - малая  разность между Rш и R0 соответствует высокой чувствительности к деформации.

 

Рис. 13, а соответствует шунтирующему сопротивлению Rш = 600 Ом, а рис. 13, б – сопротивлению 1100 Ом. Отрицательное сопротивление диода в данном случае R0 = 1220 Ом. Следовательно, разность между шунтирующим сопротивлением и отрицательным сопротивлением диода составляет 50 и 10% соответственно. Если на диод подано смещение, соответствующее рабочей точке А на рис. 13, а, и создана деформация за счет приложения силы F1 (рис. 12), то характеристика принимает новую форму, показанную пунктирной кривой. При этом точка смещения переходит из положения А в положение В и напряжение на диоде изменяется на ΔU. При шунтирующем сопротивлении Rш = 1100 Ом (рис. 13, б) средняя часть вольт-амперной характеристики шунтированного диода имеет значительно меньший наклон.

 

 

Как и в предыдущем случае, деформация вызывает перемещение рабочей точки из А в B, но теперь изменение напряжения ΔU будет большим, и поэтому измерение деформаций может производиться с большей чувствительностью. Деформация S вычисляется по формуле (δ, с, a и l указаны на рис. 14):

 

Рис. 14. Схема с указанием величин, необходимых для вычисления деформации в тензометрах с р-n-переходами, смонтированных на консольной балке.

 

На рис. 15 показан тензодатчик с двумя туннельными переходами 1, образованными на противоположных сторонах стержня из полупроводникового материала 2. Эти переходы включены в два плеча моста Уитстона для увеличения чувствительности устройства. При воздействии на полупроводниковый стержень силы F один из переходов подвергается растяжению, а другой – сжатию.

Рис. 15. Тензодатчик с двумя туннельными переходами.

 

Электрический сигнал на выходе удваивается по сравнению с сигналом, получаемым при использовании только одного перехода.

г) Струнные

Струнные преобразователи, изучаемые в данной работе, применяются для относительных измерений линейных размеров в диапазоне до 200 мкм. Основной областью их применения является контроль геометрических параметров изделий в машиностроении.

Принцип действия струнных преобразователей основан на использовании зависимости частоты собственных поперечных колебаний струны от ее продольного натяжения.

Для идеально гибкой струны, жестко закрепленной с обоих концов, эта частота определяется следующим выражением: