Исследование характеристик акселерометра. Характеристики погрешностей мэмс акселерометра и их классификация

Приборы, предназначенные для измерения линейных ускорений летательных аппаратов и угловых ускорений вращающихся элементов их агрегатов, называются акселерометрами .

Сигналы акселерометров используются в инерциальных навигационных системах для вычисления скоростей и координат, в системах управления полетом и двигателями, а также в указателях визуальных приборов. Визуальные приборы индикации ускорений нужны летчику на маневренных самолетах для контроля перегрузок, возникающих при управлении самолета.

Акселерометры классифицируются по различным признакам, в частности, по областям применения, виду подвесов чувствительного элемента, способу снятия сигналов, числу измеряемых компонентов ускорения, по виду выходного сигнала и др.

Требования к акселерометрам в отношении точности измерения определяются областью применения. Так, погрешности акселерометров в инерциальных системах не должно превышать 0,001%. Акселерометры, используемые в системах управления, имеют погрешности 0,001-1,0%. Погрешности акселерометров, применяемых в качестве визуальных приборов, составляют 1–3%.

Принцип действия акселерометра состоит в следующем.

Рис.1 Схема акселерометра.

1 – инерционная масса; 2 – пружина; 3 – демпфер; 4 – шкала; 5 – корпус прибора; 6 – ось чувствительности акселерометра

Инерционная масса 1, связанная с корпусом прибора 5 при помощи пружины 2 и демпфера 3, может перемещаться в направлении оси 6 называемой осью чувствительности. Перемещение массы по отношению к корпусу прибора, отсчитываемое по шкале 4, пропорционально измеряемому ускорению, направленному по оси чувствительности.

Чувствительным элементом акселерометра является инерционная масса.

На инерционную массу
акселерометра действуют следующие силы:

– сила инерции

,

где – перемещение массы по отношению к корпусу прибора;

–перемещение корпуса прибора относительно фиксированной точки пространства.

– сила, пропорциональная скорости движения массы и создаваемая демпфером:

,

где
– коэффициент демпфирования.

– позиционная сила, создаваемая упругостью пружины:

,

где – коэффициент упругости.

Сумма этих сил равна нулю, т.е.

,

,

где
– собственная частота;

;

–коэффициент относительного затухания.

Основными элементами акселерометров являются подвесы инерционных масс, датчики сигналов перемещения массы, моментные (силовые) устройства, обеспечивающие ввод сигналов обратной связи, усилители сигналов и корректирующие устройства (демпферы).

Для того чтобы акселерометр реагировал только на ту составляющую ускорения, для измерения которой он предназначен, его инерционная масса должна иметь специальный подвес, удовлетворяющий следующим требованиям: 1) минимальное трение в осях подвеса; 2) отсутствие перекрестных связей между измерительными осями; 3) обеспечение линейной зависимости между отклонениями инерционной массы и измеряемым ускорением.

Подвесы на простых опорах создают значительное трение, которое снижает чувствительность акселерометра. Для уменьшения трения чувствительный элемент укрепляют на рычаге или помещают в жидкость с удельным весом, равным удельному весу чувствительного элемента (рис. 2–4). Подвесы на пружинах и гофрированных упругих мембранах свободны от трений, однако недостатком их является то, что при отклонении массы прибор начинает реагировать на составляющие ускорения, перпендикулярные к оси чувствительности. Поэтому такие подвесы применяют в акселерометрах с силовой компенсацией, когда отклонения массы практически отсутствуют.

Рис. 2. Схема однокомпонентного акселерометра:

1 – инерционная масса; 2 – корпус; 3 – жидкость; 4 – направляющий стержень; 5 – усилитель; 6 – индуктивный датчик перемещения;

7 – электромагнитный привод

На схеме рис. 2 инерционная масса 1 подвешена на направляющей 4. Для уменьшения трения о направляющую масса 1, помещенная в жидкость 3, имеет нейтральную плавучесть, что исключает сильное прижатие к направляющей. Сигналы в рассматриваемой схеме, пропорциональные перемещению инерциальной массы, измеряются индуктивным датчиком 6. После усиления в усилителе 5 сигнал поступает на электромагнитный (силовой) привод 7. Выходным сигналом акселерометра является падение напряжения на сопротивлении, включенном последовательно в цепь обмотки силового привода. Демпфирование в приборе получается за счет сопротивления при движении инерциальной массы в жидкости. В акселерометрах рассматриваемого типа можно получить высокую собственную частоту и малую зону нечувствительности (достигается уменьшением сил трения за счет взвешивания инерциальной массы в жидкости). Для сохранения постоянства характеристик акселерометра необходимо поддерживать температуру жидкости постоянной, что достигается термостатированием.

Рис. 3. Схема маятникового поплавкового акселерометра:

1 – инерционная масса; 2 – жидкость; 3 – корпус; 4 – моментный двигатель;

5 – усилитель; 6 – датчик сигнала

На рис. 3 приведена схема маятникового поплавкового акселерометра. Поплавок (инерционная масса) конструируется так, чтобы его вес Q был близок к подъемной силе F. Необходимая маятниковость поплавка обеспечивается смещением центра тяжести относительно центра водоизмещения на величину L Сигнал поворота поплавка измеряется индуктивным датчиком 6, и после усиления в усилителе 5 поступает на моментный двигатель 4. Малое трение в опорах, являющихся подвесами, обеспечивается малым давлением, поскольку вес поплавка Q практически уравновешивается подъемной силой F. Демпфирование достигается тем, что масса движется в жидкости. Для сохранения постоянства характеристик прибора необходимо регулировать температуру жидкости. В поплавковых акселерометрах применяют кремниевые жидкости.

Ускорения, измеряемые акселерометрами, применяемыми в инерциальных системах, служат для получения скорости полета и пройденного расстояния. Для получения скорости ускорение интегрируется один раз, а для получения пути - дважды. Имеется определенный класс акселерометров, в которых выходной сигнал пропорционален не ускорению, а одно- или двукратному интегралу от ускорения.

Рис.4 Схема интегрирующего акселерометра

1-инерционный поплавок; 2-приводно двигатель; 3-гидравличесие перепускные каналы; 4-емкостной датчик; 5-цилиндр, заполненный силиконовой жидкостью; 6-реле системы обогрева; 7-термостат; 8-нагревательный элемент; 9-наружный цилиндр; 10-жидкость

Схема интегрирующего акселерометра поплавкового типа представлена на рис. 4. Поплавок 1 в форме цилиндра помещается в цилиндрической камере, заполненной жидкостью 10, причем плотность материала поплавка меньше плотности жидкости. Камера приводится во вращение двигателем 2 с постоянной скоростью. Под действием центробежных сил, возникающих при вращении жидкости, поплавок устанавливается по оси симметрии, вдоль которой он может перемещаться. Интегрирующие акселерометры с конструкцией, приведенной на рис. 4 имеет чувствительность порядка 10 -5 g и погрешность не более 0,01%.

Перспективными являются электромагнитные и криогенные подвесы.

Для преобразования перемещений в электрические сигналы в акселерометрах применяются потенциометрические, индуктивные, емкостные, фотоэлектрические и струнные преобразователи. Основные требования к преобразователям следующие: 1) большая разрешающая способность; 2) линейная зависимость выхода от входа; 3) отсутствие реакции преобразователя на чувствительный элемент. Этим требованиям не удовлетворяют потенциометрические датчики, поэтому в точных приборах они не применяются.

В качестве моментных (силовых) устройств в акселерометрах для ввода сигналов обратных связей применяются моментные двигатели (электродвигатели, работающие в заторможенном режиме) и электромагнитные устройства.

Для получения акселерометров с требуемыми частотными характеристиками в цепях обратной связи применяют корректирующие фильтры и специальные демпферы. В приборах с жидкостным подвесом для демпфирования используется вязкость самой жидкости.

Погрешности акселерометров

Акселерометрам присущи методические и инструментальные погрешности.

Методические погрешности акселерометров можно разделить на две группы: 1) погрешности, возникающие из-за того, что акселерометры измеряют только ускорения от активных сил, тогда как на ускорения, вызванные гравитационными силами, эти приборы не реагируют; 2) погрешности, возникающие из-за несовпадения оси чувствительности с направлением действия измеряемого ускорения.

Так, например, при несовпадении оси чувствительности и направления ускорения в 1° погрешность в измерении величины ускорения составляет 0,02%. Эта погрешность сама по себе мала и не представляет большого интереса. Большее значение имеет угол между указанными направлениями, поскольку он определяет несовпадение приборной и истинной осей системы координат. Кроме того, в инерциальных системах навигации несовпадение осей чувствительности с направлением измеряемых ускорений приводит к появлению перекрестных связей между акселерометрами, в результате чего акселерометр измеряет не только «свое», но и «чужие» ускорения.

Инструментальные погрешности акселерометров определяются: 1) порогом чувствительности (обусловленным трением в подвесах) - минимальным сигналом на входе, при котором появляется сигнал на выходе; 2) нарушением линейной зависимости между входным и выходным сигналами; 3) гистерезисом в характеристиках упругих и других элементах; 4) температурной зависимостью параметров и характеристик акселерометра.

Для уменьшения инструментальных погрешностей применяются меры по уменьшению трения в подвесах, по термостатированию элементов и по улучшению характеристик чувствительности акселерометра. В лучших конструкциях акселерометров для инерциальных систем инструментальные погрешности доведены до 0,002%.

Блок датчика линейных ускорений БДЛУ – 0,5 предназначен для измерения линейных ускорений относительно нормальной системы координат и выдачи электрического сигнала пропорционального линейным ускорениям в бортовой пилотажный комплекс (БПК) и другие бортовые системы.

Конструктивно акселерометр типа БДЛУ состоит из основных узлов:

– датчик линейных ускорений типа ДЛУВ-42 является одноосевым акселерометром и предназначен для измерения линейного ускорения, действующего вдоль оси чувствительности и выдачи электрического сигнала, величина напряжения которого пропорциональна линейному ускорению, действующему по измерительной оси, а знак соответствует направлению действия линейного ускорения.

– блока питания типа МУБП–1–1;

– усилителя обратной связи типа БУ–44–2–11.

Внешний вид БДЛУ представлен на рис.5

Рис.5 Внешний вид БДЛУ

Схема одноосевого акселерометра показана на рис.6.(типа ДЛУВ-42)

Рис. 6. Схема одноосного акселерометра с силовой обратной связью:

1 – обмотка датчика; 2 – обмотка возбуждения; 3 – ось чувствительности акселерометра; 4 – постоянный магнит; 5 – восстанавливающая обмотка; 6 – усилитель переменного тока; 7 – демодулятор; 8 – фазосдвигающая цепочка; 9 – усилитель постоянного тока; 10 – генератор цепи возбуждения; 11 – выходное сопротивление; 12 – сигнал измеряемого ускорения.

Акселерометр представляет собой устройство с силовой обратной связью, в котором сила инерции, действующая на чувствительный элемент, уравновешивается (пропорционально ускорению) электромагнитной силой, создаваемой током в катушке, помещенной в магнитное поле.

Чувствительным элементом акселерометра ДЛУВ является маятник 4, который представляет собой постоянный магнит.

При действии линейных ускорений, направленных вдоль чувствительной оси датчика возникает момент инерции, отклоняющий чувствительный элемент (маятник) от нулевого положения равновесия в направлении, обратном действию этой силы.

Момент инерции маятника равен:

,

где
– масса маятника;– плечо небаланса маятника;– действующее линейное ускорение.

Любое его отклонение относительно нулевого положения при этом создаёт в укреплённой на нём катушке датчика 1 э.д.с., пропорциональна величине действующей силы, а значит и ускорению. Сигнал с датчика поступает на вход амплитудного фазочувствительного детектора-усилителя БУ–44–2–11 (7, 8, 10), где преобразуется в напряжение постоянного тока определенной полярности и через усилитель постоянного тока УПТ – 9 подается на обмотки восстанавливающей катушки 5, которая расположена на упругой подвеске чувствительного элемента.

Магнитное поле восстанавливающей катушки 5 взаимодействует с полем постоянного магнита 4, который является маятниковым чувствительным элементом датчика, при этом возникает электромагнитная сила, уравновешивающая момент инерции маятника и стремящаяся вернуть его в нулевое положение.

Электромагнитный вращающий момент, создаваемый током, протекающим по обмоткам восстанавливающей катушки равен

,

где
- передаточный коэффициент цепи силовой обратной связи;

- ток, протекающий по катушке.

Введение в акселерометр силовой обратной связи эквивалентно дополнительной жесткости, которая намного больше по величине, чем жесткость упругого элемента.

Если коэффициент усиления усилителя 9 достаточно большой, то электромагнитная восстанавливающая сила уравновешивает силу, пропорциональную ускорению и чувствительный элемент примет нулевое положение равновесия, при этом будет иметь место равенство:

или
,

Отсюда имеет место соотношение

.

Таким образом, в цепи восстанавливающей катушки 5 протекает ток, который прямо пропорционален действующему линейному ускорению (перегрузке).

Включив последовательно с катушкой сопротивление нагрузки
, получаем напряжения на выходе, пропорциональное действующему линейному ускорению:

. (1)

Подробности Опубликовано 27.12.2019

Дорогие читатели! Коллектив библиотеки поздравляет вас с Новым годом и Рождеством! От всей души желаем счастья, любви, здоровья, успехов и радости вам и вашим семьям!
Пусть грядущий год подарит вам благополучие, взаимопонимание, гармонию и хорошее настроение.
Удачи, процветания и исполнения самых заветных желаний в новом году!

Тестовый доступ к ЭБС Ibooks.ru

Подробности Опубликовано 03.12.2019

Уважаемые читатели! До 31.12.2019 нашему университету предоставлен тестовый доступ к ЭБС Ibooks.ru , где вы сможете ознакомиться с любой книгой в режиме полнотекстового чтения. Доступ возможен со всех компьютеров сети университета. Для получения удалённого доступа необходима регистрация.

«Генрих Осипович Графтио - к 150 - летию со дня рождения»

Подробности Опубликовано 02.12.2019

Уважаемые читатели! В разделе "Виртуальные выставки" размещена новая виртуальная выставка «Генрих Осипович Графтио». В 2019 году исполняется 150 лет со дня рождения Генриха Осиповича - одного из основателей гидроэнергетической отрасли нашей страны. Ученый-энциклопедист, талантливый инженер и выдающийся организатор, Генрих Осипович внес огромный вклад в развитие отечественной энергетики.

Выставка подготовлена сотрудниками отдела научной литературы библиотеки. На выставке представлены труды Генриха Осиповича из фонда истории ЛЭТИ и публикации о нём.

Ознакомиться с выставкой Вы можете

Тестовый доступ к Электронно-библиотечной системе IPRbooks

Подробности Опубликовано 11.11.2019

Уважаемые читатели! C 08.11.2019 г. по 31.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к крупнейшей российской полнотекстовой базе данных - Электронно-библиотечной системе IPR BOOKS . ЭБС IPR BOOKS содержит более 130 000 изданий, из которых более 50 000 - уникальные учебные и научные издания. На платформе Вам доступны актуальные книги, которые невозможно найти в открытом доступе в сети Интернет.

Доступ возможен со всех компьютеров сети университета.

Для получения удаленного доступа необходимо обратиться в отдел электронных ресурсов (ауд. 1247) к администратору ВЧЗ Склеймовой Полине Юрьевне или по электронной почте [email protected] с темой "Регистрация в IPRbooks".

Особенностью микромеханических акселерометров является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремниевой технологии, что определяет: малые габариты и вес акселерометра, возможность применения групповой технологии изготовления и, следовательно, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.

Одной из основных причин, вызывающих погрешность измерений микромеханического акселерометра, является изменение температуры окружающей среды. Дополнительное смещение нуля из-за вариации температуры окружающей среды:

где k T - тепловой дрейф сдвигов нулей акселерометров; ?T - изменение температуры за время испытания, T-скорость изменения температуры; t - время испытания.

Известно, что точность измерений ограничена не только систематической погрешностью, но и спектральным составом шума измерений. Например, в измерениях MEMS-датчиков присутствует фликкер-шум, окрашивающий шумы измерений.

Фликкер-шум (избыточный шум) - аномальные флуктуации, для которых характерна обратно пропорциональная зависимость спектральной плотности мощности от частоты в отличие от белого шума, у которого спектральная плотность постоянна. Фликкер-шум был обнаружен как медленные хаотичные изменения термоэмиссии катодов электронных ламп, получившие название "фликкер-эффект". В дальнейшем флуктуации с такими же свойствами были обнаружены во множестве физико-химических, биологических и даже социальных систем. В настоящее время термин "фликкер-шум", наряду с менее удобным, но более адекватным термином "1/f-шум", а также термином "макрофлуктуации" используется для обозначения аномальных флуктуаций в сложных системах. Разновидностью фликкер-шума является наблюдаемый в полупроводниках импульсный (взрывной) шум ступенчатые изменения уровня сигнала со случайно распределенными интервалами времени между изменениями уровня. Его спектральная плотность мощности растет с понижением частоты, ограничивает возможность увеличения точности путем усреднения и не позволяет снизить случайную составляющую погрешности до нуля. Кроме того, в цифровых датчиках всегда присутствует помеха с частотой тактового генератора, также придающая окраску белому шуму.

Акселерометры, как и гироскопы, страдают от смещения и дрейфов смещения, ошибок невыравнивания, дрейфов под воздействием температуры и ускорений, нелинейности (так называемой ошибки VRE), а также дрейфа чувствительности. Важнейшими характеристиками акселерометров для их сравнительного анализа являются смещение и его дрейфы, нестабильность смещения, а также шум. Также могут приниматься во внимание дрейф чувствительности, коэффициент нелинейности VRE и другие параметры.

Любое смещение акселерометра в отсутствие ускорения при двойном интегрировании вызывает ошибку скорости, пропорциональную времени интегрирования, и ошибку в вычисленном положении, растущую со временем квадратично. Неконтролируемое смещение нуля вызывает смещение вектора ускорения относительно его истинного направления, и это касается не только датчиков линейного ускорения, но и гравитационного, которое должно вычитаться из общего выхода акселерометра. В системах инерциальной навигации дрейф смещения акселерометра привносит существенный вклад в погрешность вычисления скорости и положения. При измерении ориентации наиболее существенными являются угловые ошибки вычислений наклонов продольном и поперечном направлениях.

Нестабильность смещения датчика представляет собой случайные вариации смещения, вычисленные в определенный временной интервал как усредненные значения. Этот параметр вычисляется по методу Аллана для стационарного датчика. При увеличении времени усреднения выходной шум снижается, и наклон достигает минимальной точки, а затем увеличивается вновь. Минимальная точка на кривой Аллана представляет собой нестабильность смещения, приводимую в спецификациях акселерометров в мg или мкg. Чем ниже значение этого параметра, тем меньше ошибка вычисления скорости, положения и ориентации. Нестабильность смещения акселерометра в большинстве спецификаций определяется производителями как наилучшая характеристика, достигнутая в лабораторных условиях (при 20 °C и отсутствии механических воздействий). Стабильность смещения в реальных условиях представляет собой максимальный дрейф остаточной ошибки смещения после компенсации воздействия внешних факторов - температуры, ударов, вибраций, старения.

Как было сказано выше, MEMS разделяют на два типа: сенсоры и актюаторы. Одним из самых используемых видов сенсоров являются датчики движения, которые в свою очередь делятся на акселерометры (датчики ускорения) и гироскопы (датчики поворота). Применение данных устройств на сегодняшний день очень широко: телефоны, коммуникаторы, игровые приставки, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются подобными сенсорами. В мобильных телефонах и видеоприставках чувствительность к движениям пользователя используется в основном для развлечения. А вот в портативных компьютерах акселерометры выполняют очень даже полезную функцию: улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара и паркуют головки диска. В фототехнике использование датчиков движения не менее актуально - именно на их основе работают честные системы стабилизации изображения.

Автопроизводители (из массовых индустрий они первыми опробовали данного рода устройства) уже несколько десятилетий активно эксплуатируют датчики движения, например, в подушках безопасности и антиблокировочных системах тормозов. Так что соответствующие чипы давно разработаны, выпускаются целым рядом крупных и сравнительно мелких компаний и производятся в таких количествах, что цены давно и надежно сбиты до минимума. Типичный MEMS-акселерометр сегодня обходится в несколько долларов за штуку.

При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение - это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение. На практике, MEMS-акселерометры устроены таким образом, что отделить друг от друга составные части - грузик, подвес, корпус и обкладки конденсатора - не так-то просто. Собственно, изящество MEMS в том и заключается, что в большинстве случаев в одной детали здесь удается (а вернее, попросту приходится) комбинировать сразу несколько предметов.

В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов.

Что касается технологий производства МЭМС, то здесь используется несколько основных подходов. Это объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, технология LIGA (Litographie, Galvanoformung и Abformung) - литография, гальваностегия, формовка) и глубокое реактивное ионное травление. Объемная обработка считается самым бюджетным способом производства МЭМС. Ее суть заключается в том, что из кремниевой пластины путем химического травления удаляются ненужные участки материала, в результате чего на пластине остаются только необходимые механизмы. Глубокое реактивное ионное травление почти полностью повторяет процесс объемной микрообработки, за исключением того, что для создания механизмов используется плазменное травление вместо химического. Полной противоположностью этим двум процессам является процесс поверхностной микрообработки, при котором необходимые механизмы "выращиваются" на кремниевой пластине путем последовательного нанесения тонких пленок. И, наконец, технология LIGA использует методы рентгенолитографии и позволяет создавать механизмы, высота которых значительно превышает ширину.

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 531. 781. 2

Вавилов Иван Владимирович

РАЗРАБОТКА МИКРОСИСТЕМНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена на кафедре «Авиационные приборы и устройства» Арзамасского филиала Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель: к.т.н., доцент. Поздяев В.И.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Распопов В.Я.

д.т.н., главный научный сотрудник

ФГУП "НПП "Полет" Кейстович А.В.

Ведущее предприятие: ОАО "Арзамасский приборостроительный завод",

г.Арзамас.

Защита состоится 11 октября 2006 г, в 15:00 в ауд. 1258 на заседании диссертационного Совета Д 212.165.12 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, ГСП-41, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Ученый секретарь диссертационного Совета

к.т.н., доцент______________ В.В. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Стимулирующим фактором развития интегральных датчиков служит нарастающая потребность в информации в различных управляемых технических системах. В основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) лежит концепция от “датчика к системе”, формулировка сущности которой может быть представлена в виде следующих положений:

• разработка, исследование и создание интегрированных датчиков прямого измерения, объединяющих первичный чувствительный элемент и вторичный электронный преобразователь, при условии их исполнения в рамках единого технологического процесса
• разработка, исследование и создание интегрированных компенсационных датчиков, объединяющих первичный чувствительный элемент, вторичный электронный преобразователь и преобразователь обратной связи для управления чувствительным элементом, при условии их исполнения в рамках единого технологического процесса
• разработка, исследование и создание интегрированных датчиков с вычислительными возможностями, например, реализующих многофакторность измерений, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования, адаптацию к оптимальным условиям, выполнение контрольно-диагностических функций и др., при условии их исполнения в рамках единого технологического процесса
• разработка, исследование и создание беспроводных интегрированных датчиков с малым потреблением электроэнергии и обладающих свойствами первых трех групп.

Одной из первых систематизирующих работ по микросистемным датчикам была статья Петерсена К. “Кремний как механический материал для интегральных конструкций”, опубликованная в журнале IEEE № 5 за 1982 год. Период развития интегральных датчиков составляет немногим более тридцати лет. За это время разработан широкий спектр датчиков: от интегрального тензорезистора до компенсационного акселерометра. Наиболее успешным разработчиком в области микросистемных приборов навигации в настоящее время является фирма Analog Devices (США). В нашей стране микросистемные датчики разрабатывают: Арзамасское НПП “ТЕМП-АВИА” (к.т.н. Былинкин С.Ф.), Пензенский НИИФИ (д.т.н. Мокров Е.А.), Зеленоградский НИИЭТ (д.т.н. Тимошенков С.П.), Тульский ГТУ (д.т.н. Распопов В.Я.), МВТУ (д.т.н. Коновалов С.Ф.) и др. Однако нельзя сказать, что данный период находится в своей завершающей стадии. Особенно слабым звеном является разработка интегральных датчиков параметров движения, таких, как линейные и угловые акселерометры. До сих пор отсутствуют акселерометры со стопроцентной интеграцией, а реальная точность известных разработок не превзошла рубеж 12 % от измеряемого диапазона. Под интеграцией понимается объединение функциональных узлов и блоков в единый конструктив, представляющий одну монолитную “деталь”. Повысить точность измерения интегральных акселерометров более чем на порядок возможно введением в контур отработки цепи отрицательной обратной связи, однако это связано с усложнением схемы.

Актуальность работы . Характерной чертой мирового развития информационных технологий конца XX и начала ХХI века является выделение интегрально образующихся (комплексных) технологий, к которым относятся и технологии микромеханических систем. Как в нашей стране, так и за рубежом наблюдается устойчивый рост интереса к разработкам интегральных датчиков, что связано с возможностью эффективного решения с их помощью ряда задач контроля и управления. С 30 марта 2002 года в России микросистемная техника официально объявлена критической технологией. В перечне критических технологий, утвержденном Президентом России, формулировка определена следующим образом: “Сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее не достижимыми массогабаритами, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически эффективными процессами микро- и нанотехнологии.” Возможности измерительных систем, таких как инерциальные навигационные системы (ИНС), инклинометры, курсовертикали и т. д., всегда определялись характеристиками первичных преобразователей. Существующие конструкции интегральных датчиков ускорений не удовлетворяют современным требованиям из-за высокого уровня трудоемкости изготовления, а также временной нестабильности метрологических характеристик и малого ресурса.

Данная работа проводилась в соответствии с тематикой научных исследований предприятия Арзамасского НПП “ТЕМП-АВИА”, а также планом основных научных работ Арзамасского политехнического института (филиала НГТУ) по проблеме “Разработка и исследование интегральных датчиков первичной информации”.

Цель работы. Целью диссертации является исследование и разработка нового микросистемного датчика ускорений и его узлов, а также построение математических моделей датчика и расчетных соотношений для теоретического определения его статических, динамических и точностных характеристик.

Задачи диссертационной работы:

1. Исследование структуры нового микросистемного акселерометра и его составляющих механических и электрических узлов с использованием полупроводниковых материалов и микромашинной технологии.

2. Разработка математических моделей датчика для анализа на стадиях НИР и ОКР всех характеристик микросистемного акселерометра: статической, амплитудно-частотной, фазо-частотной, переходной, точностной и характеристик его отдельных узлов.

3. Проведение экспериментальных исследований статических и динамических характеристик новых микросистемных датчиков ускорений, результаты которых позволяют судить о точности и преимуществах интегральных конструкций перед традиционными не интегральными.

4. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов диссертации.

Объект исследования. Объектом исследования являются следующие устройства:

1. Кремниевые маятниковые чувствительные элементы.
2. Емкостные преобразователи перемещений в электрический сигнал.
3. Устройства для испытаний линейных акселерометров.
4. Микроэлектронные преобразователи и узлы, встраиваемые в интегральные датчики ускорений.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического и компьютерного моделирования характеристик акселерометра, натурный эксперимент, методы теоретической механики, теории упругости и автоматического управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследована структура и разработан новый чувствительный элемент (патент РФ № 2231795) имеющий в два раза меньшую погрешность измерения, чем аналоги и разработана математическая модель нового микросистемного акселерометра с уточнением влияния характеристик составляющих элементов, в результате чего расчетные данные совпали с экспериментальными.

2. Разработан оригинальный емкостный преобразователь (патенты: № 2231796 и № 2272298). Получены теоретические соотношения для расчетов микроэлектронных преобразователей, предназначенных для совместной работы с микромеханическими ЧЭ, что дало разработчикам новый эффективный инструмент проектирования..

3. Проведены экспериментальные исследования и компьютерное моделирование статических и динамических характеристик микросистемных акселерометров на макетах и на готовых изделиях и сравнены с теоретическими результатами, что подтвердило адекватность теоретических положений.

Практическая ценность работы:

1. Теоретические решения доведены до практического использования в расчетах характеристик, в оптимизации параметров разрабатываемых интегральных датчиков ускорений и явились основой разработки схем и конструкций, защищенных патентами РФ.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде рекомендаций и расчетных соотношений для определения важнейших характеристик датчиков использованы для проектирования и построения интегральных датчиков ускорений типа АТ1105 и АТ1112 на диапазоны от 0,5 g до 50 g.

3. Разработанные методики определения статических характеристик интегральных датчиков ускорений и их погрешностей с помощью испытательного оборудования позволяют получить основные метрологические параметры приборов.

4. Результаты диссертационной работы внедрены в серийно выпускаемые изделия АНПП "ТЕМП-АВИА" и в учебный процесс в Арзамасском филиале НГТУ на кафедре “Авиационные приборы и устройства” по специальностям 190300 и 190900.

Реализация в промышленности. Выводы, рекомендации и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на предприятии АНПП "ТЕМП-АВИА" (г. Арзамас), что подтверждается документами, приведенными в приложении.

Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и совещаниях:

1. На региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", Н. Новгород, 1997, 1998, 2002, 2003 г.
2. На Всероссийских научных конференциях «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». 2002, 2003, 2004 г.
3. На расширенном заседании кафедры "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского филиала НГТУ в 1998, 2000, 2001, 2002, 2003 и 2004 г.г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ, из них 13 статей и четыре патента на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы, списка принятых обозначений и содержит 153 страниц машинописного текста: иллюстраций - 39 (рисунки, схемы, графики), таблиц - 15, список литературы - 83 наименований.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Структурная схемотехника и математическая модель нового маятникового чувствительного элемента имеющего компенсацию от влияния температурных напряжений.

2. Оригинальный микросистемный емкостный преобразователь перемещений с тестированием акселерометра, меньших габаритов при той же стоимости.

3. Математическая модель микросистемного акселерометра, позволяющая оценить его параметры еще на стадиях НИР и ОКР.

4.Соотношения для выбора оптимальных параметров микросистемного акселерометра по критерию минимума погрешностей измерений, которые позволяют для акселерометров прямого измерения получить точность, эквивалентную точности компенсационного акселерометра с электростатической обратной связью.

5. Структурные схемы установок для экспериментальных исследований статических и динамических характеристик микросистемных акселерометров и результаты экспериментальных исследований.

6. Соотношения для теоретических расчетов: жесткостей упругих подвесов, абсолютных коэффициентов газодинамического демпфирования, упругих подвесов на продольную устойчивость и элементов электрической схемы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы и на основе анализа современного состояния интегральных датчиков первичной информации сформулированы цель и задачи исследований.

Первая глава диссертации посвящена обзору современного состояния микросистемных акселерометров, в которой сделан сравнительный анализ их характеристик. Рассмотрены как отечественные, так и зарубежные решения и выявлены положительные и отрицательные стороны конструкций с точки зрения получения максимальной точности. В результате анализа предпочтение отдано микросистемному акселерометру с местной обратной связью.

Вторая глава соде р жит теоретическое обоснование построения микромеханического чувствительного элемента и электрической схемы. Проведена оценка числа степеней свободы маятникового подвижного узла на основе анализа жесткостей упругих подвесов в различных направлениях. Из анализа следует, что угловое движение маятника относительно оси y (рис. 1) и линейные относительно осей x и y отсутствуют, так как их жесткости являются бесконечно большими. Сравнивая угловые жесткости относительно осей x и z, можно заключить, что угловая жесткость относительно оси z превосходит угловую жесткость относительно оси x на множитель . Численно это составляет, как минимум, пять порядков, что при допущении одинаковых усилий, действующих по сравниваемым осям, позволяет пренебречь бесконечно малым угловым перемещением относительно оси z.

Осевые жесткости подвеса вдоль положительного и отрицательного направления оси z в общем случае не одинаковы. В положительном направлении подвес работает на растяжение, а в отрицательном - на сжатие. При этом при больших нагрузках в отрицательном направлении необходимо проводить проверку подвеса на продольную устойчивость. Здесь следует отметить, что для подвесов с кривизной по ширине и толщине сжатию подвергается короткий участок в минимальном сечении подвеса и при сохранении его характеристик в пределах упругости подвес всегда является устойчивым.

Таким образом, рассмотренная конструкция маятникового ЧЭ интегрального акселерометра, при введенных допущениях, имеет две степени свободы: угловое перемещение относительно оси x и линейное перемещение вдоль оси y. Соответственно микромеханический подвижный узел имеет передаточную функцию четвертого порядка. При использовании для анализа динамики уравнения Лагранжа второго рода, передаточная функция подвижного узла была определена в виде:

, (1)

где коэффициенты передаточной функции выражаются через параметры подвижного узла:

(2)

где - момент инерции маятника относительно оси z; m - масса маятника; Kд и Kду - осевой и угловой абсолютные коэффициенты демпфирования; G и Gу - осевая и угловая жесткости упругого подвеса; lц - расстояние от центра тяжести до оси качания маятника.

Крутизну статической характеристики чувствительного элемента определим из (1) с учетом (2) при :

(3)

Для обработки перемещений маятника разработан специализированный электрический преобразователь. В качестве исходных предпосылок при разработке преобразователя были приняты следующие требования: 1 - обеспечение линейности статической характеристики во всем диапазоне измерений; 2 – в преобразователе должно быть полностью исключено влияние диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между измерительными электродами преобразователя; 3 - в передаточные соотношения величины резисторов должны входить в виде отношений; 4 - минимум температурной ошибки при изменении параметров; 5 - достаточная фильтрация выходного сигнала от несущей частоты генератора, питающего емкостный мост; 6 - исключение тяжения между подвижным и неподвижным электродами емкостного моста; 7 - в динамическом отношении преобразователь перемещений должен представлять собой, без учета фильтра нижних частот, безынерционное звено; 8 - независимость крутизны статической характеристики и нулевого сигнала преобразователя от частоты питающего генератора и сведение к минимуму ошибки от нестабильности источников питания.

Наиболее полно сформулированным требованиям отвечает схема, представленная на рис. 2, а. Для достижения необходимых характеристик по статической и динамической точности в схеме осуществлялась проработка нескольких вариантов решений того или иного узла и выбор оптимальных. Схема содержит в своем составе: дифференциальную цепь измерительных емкостей C1 - C2; устройство переключения опорных напряжений Кл1-Кл4; усилитель на ОУ1, синхронный (демодулятор) детектор (Кл5 и Кл8); генератор тактовой частоты (рис. 2, b) на логическом элементе типа триггера Шмидта; источники опор­ных напряжений и фильтр нижних частот (ФНЧ) на ОУ2. Электрическая схема описывается следующей передаточной функцией:

(4)

где - коэффициент крутизны статической характеристики преобразователя;

Постоянная времени фильтра;

Полная передаточная функция микросистемного акселерометра состоит из произведения передаточных функций механической и электрической частей:

(5)

Коэффициенты передаточной функции находятся через параметры подвижного узла: .

Коэффициент наклона статической характеристики микросистемного акселерометра с местной единичной обратной связью получен из передаточной функции (5) в следующем виде:

В качестве альтернативной схемы были разработаны и исследованы схемы с силовой электростатической отработкой и с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). После сравнения предпочтение отдано схеме по рис. 2.

В работе были исследованы ЧЭ с внутренним и внешним креплением несущей пластины. Из исследований установлено, что внутреннее крепление по одной точке предпочтительнее с точки зрения меньшего влияния контактных напряжений, передаваемых от корпуса.