Исследование микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах

Для исключения взаимной синхронизации двух автогенераторов собственные частоты одновходовых резонаторов, нанесенных на опозитные стороны консоли, разносятся на некоторую фиксированную частоту, величина которой обычно лежит в диапазоне 100..500 кГц. Однако при массовом производстве ПАВ-резонаторов не удается выдержать необходимые значения номиналов невозмущенных резонансных частот с точностью лучше ± 50 кГц. В связи с этим возникает необходимость индивидуальной подстройки собственных частот резонаторов f10 и f20 к значениям, обеспечивающим паспортную величину начального разноса частот Df0=f10-f20. Эта задача может быть решена двумя путями:

• непосредственной коррекцией параметров резонаторов сразу после их изготовления, т.е. до сборки акселерометров, используя, например, лазерные технологии;
• электронной подстройкой частот генерации f10 и f20 осцилляторов в уже полностью собранном ПАВ-акселерометре.

Первый путь требует применения специальных технологических операций, дорогостоящей оснастки и больших временных затрат, что ведет к увеличению стоимости изделия и не гарантирует достижения нужных параметров в уже корпусированном акселерометре. Поэтому предпочтение следует отдать построению осцилляторных схем с управляемой напряжением перестройкой частоты, например, на основе варикапов - конденсаторов, управляемых напряжением. В этом случае варикап включается в контур резонатора и осуществляет его перестройку в небольшом диапазоне частот вблизи резонансных значений f10 и f20. Характер зависимости перестройки частоты  автогенератора от приложенного напряжения приведен на рис. 25.

 

Рис. 25. Зависимость выходной частоты от управляющего напряжения.

 

 

Крутизна  характеристики составляет 435×10-6 1/B при вариациях  управляющего напряжения 0.3..3 В. Такой диапазон перестройки почти на порядок перекрывает технологические погрешности изготовления ПАВ-резонаторов и гарантирует необходимую выставку начального разноса частот осцилляторов уже после окончательной сборки и корпусирования акселерометров. Предложенная схема на базе варикапа может быть также использована для компенсации температурных воздействий.

В работе рассматриваются результаты моделирования консоли чувствительного элемента микроакселерометра на ПАВ при нанесении на ее поверхности пленок различной топологии. Для моделирования используется программный комплекс ANSYS Workbench, в основе вычислений которого лежит метод конечных элементов (МКЭ).

На сегодняшний день во многих микродатчиках используются чувствительные элементы (ЧЭ) консольного типа. При воздействии на них измеряемой величины происходит изменение формы консоли, которое переводится в электрический сигнал при помощи преобразователей, размещенных на ее гранях. Очевидно, что характер изгиба консоли и распределение поверхностных напряжений непосредственно влияют на характеристики датчика. [3] Рассмотрим это  на примере микромеханического акселерометра (ММА) на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Основной целью является оценка деформации ЧЭ под действием ускорения.

 

2.2. Аналитический метод решения

 

ЧЭ ММА на ПАВ представляет собой консоль, жестко закрепленную с одной стороны и нагруженную инерционной массой (ИМ) с другой (рис. 26).

 

Рис. 26. Расчетная схема чувствительного элемента ММА.

 

При воздействии ускорения консоль испытывает деформации изгиба, которые сопровождаются растяжением и сжатием ее противоположных поверхностей. На них нанесены ПАВ-резонаторы, которые включены в цепь положительной обратной связи усилителя. Их собственные частоты приобретают противоположные по знаку приращения частот, что позволяет реализовать дифференциальный метод измерения.

В работе [4] приведен вывод выражений для внутренних напряжений и относительных деформаций, возникающих под действием ускорения. Для расчета введены следующие обозначения (рис. 26): - продольные и  - поперечные размеры консоли и ИМ, соответственно; b- ширина консоли; -массы консоли и ИМ, соответственно; - модуль упругости материала консоли (кварц ST-среза). Принимая условие получаем конечные выражения для максимальных нормальных напряжений и относительных удлинений на поверхности консоли:

Приведенные формулы не учитывают массу самой консоли, анизотропию ее материала, прорези в ИМ для крепления консоли и др. Компьютерное моделирование позволяет избавиться от большинства имеющихся в аналитическом методе допущений.

 

2.3. Оценка влияния ускорения на смещение частоты ПАВ-резонатора.

В программе ANSYS Workbench была построена трехмерная модель ЧЭ ММА на ПАВ, которая была разбита на конечные элементы прямоугольной сеткой с шагом 0,175 мм для консоли и 0,5 мм для ИМ. В качестве материала консоли был выбран кварц, а для ИМ – сплав ВНМ.

В качестве внешнего воздействия задавалось равномерно распределенное ускорение свободного падения, направленное вдоль оси y (рис.26). Один конец консоли был жестко закреплен, а другой нагружен ИМ. Результаты моделирования приведены на рис. 27. Распределение относительных деформаций на оппозитных сторонах консоли – на рис. а). График 2, б) более наглядно демонстрирует распределение относительных деформаций вдоль оси симметрии ЧЭ.

                                 а)                                                   б)

Рис. 27. Результаты моделирования ЧЭ ММА на ПАВ с прямоугольной консолью.

 

Как видно из рис. 27 б, распределение относительных деформаций по длине консоли является неоднородным. В случае несимметричного расположения ПАВ-резонаторов это приводит к различной чувствительности плеч дифференциальной схемы и, следовательно, дополнительным погрешностям. Существующие технологии не позволяют добиться необходимой точности взаимного размещения ПАВ-резонаторов при массовом производстве. Поэтому необходимо найти такую форму консоли, которая обеспечила бы равномерное сопротивление изгибу по всей длине [7].

Далее был произведен пересчет значений согласно формуле:

 

Полученные данные приведены в таблице №1 и №2.

Таблица №1.Вдоль оси чувствительности:

Ускорение, g	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4
Относительная деформация, ˟ 10-5	1,38	2,76	4,14	5,52	6,9	8,28	9,66	11
Смещение, кГц	12	24	36	48	60	72	84	95

 

Таблица №2. Ортогонально оси чувствительности:

Ускорение, g	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4
Относительная деформация, ˟10-13	0,74	1,48	2,22	2,95	3,69	4,43	5,17	5,91
Смещение, мкГц	480	961	1442	1916	2397	2877	3358	3838

 

По данным таблицы №1 можно видеть, что при действии ускорения 1g, смещение частоты происходит примерно на 24 кГц. То есть, если при 0g выходная частота составляет 467 кГц, тогда при 1g – значения 467 кГц  и 24кГц складываются или вычитаются (в зависимости от направления); и в итоге на выходе частота составит примерно  или 491 кГц или 443 кГц.

Глава 3. Экспериментальные исследования.

3.1. Описание экспериментального макета.

 

Установка представляет собой одноосную мини-центрифугу, разработанную на кафедре ЛИНС. На план-шайбе установлен макет микромеханического акселерометра 1 (рис. 29), подключенный к источнику питания PSM-6003 2 (задающее питание – 12,5 В), частотомеру METEX MXC-260 3, электронному блоку 4 и компьютеру 5 (рис. 28).

 

Рис. 28. Экспериментальная установка:

1 – миницентрифуга  с ММА; 2 – блок питания; 3 –  частотомер; 4 – электронный блок; 5 – компьютер.

 

 

 

 

 

 

Рис. 29. Макет ММА

 

 Далее  представлена электрическая схема  ПАВ-микроакселерометра (рис. 30).

 

Рис. 30. Электрическая схема ПАВ-микроакселерометра с прямоугольной формой консоли ЧЭ

 

Схема  состоит из двух автономных генераторов, собранных на транзисторах 2T-640A2 и ПАВ-резонаторах 1 и 2. Выходные сигналы первого и второго генераторов подаются на вход смесителя, в качестве которого была использована микросхема SCM-1 фирмы Mini-Circuits. Она обеспечивает повышенную развязку между генераторами (около 40 дБ) и позволяет в ряде случаев отказаться от дополнительных развязывающих усилительных каскадов между автогенераторами. Область взаимной синхронизации двух автогенераторов (зона захвата) составляет менее ± 12 кГц и полностью избавиться от нее не удается. Эффективным решением подобной проблемы является перенос рабочей точки частотного ММА в область, удаленную от зоны захвата. С этой целью собственные частоты ПАВ-резонаторов, расположенных на противоположных поверхностях ЧЭ, разносятся в процессе их изготовления на значительную величину порядка 500 кГц, которая существенно превышает диапазон возможных минимальных значений разностной частоты. Однако современные методы тонкопленочной технологии, используемые ведущими отечественными и зарубежными производителями ПАВ-резонаторов, показывают, что предельная точность настройки каждого отдельного резонатора может варьироваться от ± 50 кГц до ± 150 кГц в используемом диапазоне частот около 435 МГц. Практически, после корпусирования ЧЭ начальный разнос частот генераторов изменяется в более широких пределах.

 

 

3.2. Градуировка ММА на ПАВ в гравитационном поле Земли.

 

Градуировка ММА с прямоугольной формой консоли в гравитационном поле Земли выполнялась на центрифуге. Съем выходного сигнала ММА производился через каждые 10° в диапазоне от 0° до 360° в направление по часовой стрелке и против нее. По полученным данным построены графики градуировки (см. рисунок  32) и выходной характеристики ММА (см. рисунок 31), найдены масштабный коэффициент и сдвиг нуля: по часовой стрелке – Км = 25,0 кГц/g и K0 = 473,5 кГц, против часовой стрелки – Км = 25,3 кГц/g и К0=477,0 кГц. Так же рассчитан коэффициент нелинейности, который составил: по часовой стрелке - Кн = 4,1 %; против часовой стрелки –

Кн=3,8 %. При проведении экспериментальных исследований было выявлено большое время выхода на рабочий режим (см. рисунок 33), которое составило более часа. Причиной этого явления является значительное тепловыделение как на элементах электрической схемы (резисторы, транзисторы и др.).

 

Рис. 31. Выходная характеристика ПАВ-микроакселерометра в гравитационном поле Земли.

 

 

Рис. 32. Градуировка ПАВ-микроакселерометра в гравитационном поле Земли.

 

 

Рис. 33. Время выхода ПАВ-микроакселерометра на рабочий режим.

 

3.3. Оценка чувствительности ММА к ускорениям больше g.

Следующим этапом исследований стала оценка чувствительности ММА к ускорениям больше g. Для проведения испытания так же использовалась мини-центрифуга, которая позволяла задавать различные значения угловой скорости в диапазоне от 0 до 240 °/мин в обоих направлениях. Механический акселерометр устанавливался  на некотором расстоянии от центра, R=0,065 м. Съем выходного сигнала ММА производился через каждые 10 об/мин в диапазоне от 0 об/мин до 240 об/мин в направление по часовой стрелке и против нее. По полученным данным построены графики градуировки (рис. 34, 36) и выходной характеристики (рис. 37, 35). Так же был произведен расчет масштабного коэффициента. Для случая, когда инерционная масса расположена сверху,  при 1g - Км = 22,1 кГц/g и при 4g – 23,8 кГц/g.

 

 

 

Рис. 34. Градуировка ПАВ-микроакселерометра при расположении ИМ сверху.

 

 

 

Рис. 35. Выходная характеристика ПАВ-акселерометра при расположении ИМ сверху.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При расположении инерционной массы снизу при 1g масштабный коэффициент составляет 21,2 кГц/g, а при 4g – 23,4 кГц/g.

 

 

Рис. 36. Градуировка ПАВ-микроакселерометра при расположении ИМ снизу.

 

 

 

Рис. 37. Выходная характеристика ПАВ-микроакселерометра при расположении ИМ снизу.

 

 

3.4. Оценка влияния гравитационных сил на чувствительный элемент ММА при действии ускорения ортогонально оси чувствительности.

 

В следующем этапе исследования требовалось получить зависимость выходного сигнала микроакселерометра от ускорения силы тяжести  ортогонально оси чувствительности. Шаг изменения угла поворота составлял 10° в диапазоне от 0° до 360°. Для этого, в первом случае, консоль располагалась ортогонально оси чувствительности (на рисунках показаны красным цветом), во втором случае – сонаправленно (на рисунках показаны синим цветом).