Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности конструкции и технические характеристики акселерометров с монокристаллическим чувствительным элементом 14
1.1. Кремний - конструкционный материал 14
1.2. Особенности конструкции акселерометров с монокристаллическим чувствительным элементом и их технические характеристики 17
1.3. Обзор состояния теоретических и практических разработок в области акселерометров с монокристаллическим чувствительным элементом 30
1.4. Выводы 32
2. Динамика монокристаллического чувствительного элемента акселерометра 33
2.1. Уравнения движения монокристаллического чувствительного элемента акселерометра 33
2.1.1. Силы, обусловленные упругими свойствами балки 36
2.1.2. Силы, обусловленные газодинамическим демпфированием 37
2.1.3. Силы, обусловленные ускорениями и и g 38
2.1.4. Уравнения движения монокристаллического чувствительного элемента акселерометра прямого преобразования 38
2.1.5. Акселерометр с магнитоэлектрическим датчиком силы 39
2.2. Переходный процесс акселерометра 47
2.3. Особенности динамики чувствительного элемента акселерометра на вибрирующем основании 51
2.3.1. Уравнения движения чувствительного элемента акселерометра на вибрирующем основании 51
2.3.2. Численное решение уравнений движения чувствительного элемента акселерометра на вибрирующем основании 52
2.3.3. Аналитическое решение уравнений движения чувствительного элемента акселерометра прямого преобразования 58
2.3.4. Динамика чувствительного элемента акселерометра прямого преобразования 60
2.3.5. Анализ движения произвольной точки чувствительного элемента акселерометра 62
2.3.6. Динамика чувствительного элемента акселерометра компенсационного преобразования 65
2.3.7. Частотные характеристики акселерометра 66
2.4. Особенности динамики чувствительного элемента акселерометра на основании, подверженном угловой вибрации 72
2.5. Акселерометр на поступательно перемещающемся основании 73
2.6. Реакция чувствительного элемента акселерометра на углы наклона 75
2.7. Передаточные функции, определяющие реакцию чувствительного элемента акселерометра на линейные вибрационные возмущения 76
2.8. Передаточные функции, определяющие реакцию чувствительного элемента акселерометра на угловые вибрационные возмущения 78
2.9. Выводы 80
3. Двойной датчик перемещения 82
3.1. Влияние особенностей динамики на выходной сигнал акселерометра 82
3.2. Двойной датчик перемещения. Схемы включения 84
3.3. Анализ динамики акселерометра с двойным датчиком перемещения, для измерительной цепи, выполненной по схеме №2 86
3.3.1. Уравнения движения и их анализ 86
3.3.2. Выходной сигнал акселерометра 96
3.3. Анализ динамики акселерометра с двойным датчиком перемещения для измерительной цепи, выполненной по схеме №3 102
3.3.1. Уравнения движения и их анализ 102
3.3.2. Выходной сигнал акселерометра 103
3.5. Выводы 105
4. Расчет параметров маятникового узла акселерометров прямого и компенсационного преобразования 106
4.1. Анализ особенностей динамики маятникового узла акселерометра 106
4.2. Выбор параметров маятникового узла акселерометра для наилучшей равномерности начального участка АЧХ 109
4.2.1. Постановка задачи 109
4.2.2. Вывод уравнений для определения параметров маятникового узла акселерометра 109
4.3. Выводы 118
5. Лабораторные эксперименты 119
5.1. Методика и аппаратурная реализация экспериментальных исследований 119
5.2. Анализ адекватности математической модели прибора прямого и компенсационного преобразования 121
5.5. Численный эксперимент 123
5.4. Выводы 125
Заключение 126
Список литературы 127
- Особенности конструкции акселерометров с монокристаллическим чувствительным элементом и их технические характеристики
- Численное решение уравнений движения чувствительного элемента акселерометра на вибрирующем основании
- Вывод уравнений для определения параметров маятникового узла акселерометра
- Анализ адекватности математической модели прибора прямого и компенсационного преобразования
Введение к работе
Микромеханические приборы - одно из перспективных направлений развития приборостроения. В течение последних двадцати лет эта отрасль приборостроения является одной из самых динамично развивающихся. Исполнение приборов в микромеханическом конструктиве позволяет внедрить первичные датчики разнообразных физических величин в устройства и системы, где раньше подобные измерители не могли быть использованы из-за неприемлемых масс и габаритов.
Первые отечественные разработки микромеханических приборов (датчики давления и акселерометры) относятся к 80-м годам прошлого столетия. Безусловным пионером в этом направлении является лаборатория В.И. Ваганова. К настоящему времени разработкой подобных приборов успешно занимаются НИИФИ г. Пенза, РКБП г. Раменское; Институт проблем механики имени академика Кузнецова г. Москва; ОАО АНПП "ТЕМП - АВИА", г. Арзамас; ГНЦ "Электроприбор", г. Санкт - Петербург; научные группы под руководством профессора С.Ф. Коновалова г. Москва; проф. Л.А. Северова, г. Санкт - Петербург, ГУ АЛ, а также другие научные группы.
В настоящее время наибольшей степенью проработанности отличаются датчики давления и приборы, имеющие в своем составе датчики давления (расходомеры, высотомеры, измерители скорости). Существует обширный рынок приборов этого типа, сформированный как зарубежными, так и отечественными производителями.
Важнейшим типом микромеханических приборов являются акселерометры. Акселерометры являются важнейшими преобразователями, которые имеют широчайшую область применения в системах контроля за состоянием объектов, в медицинских исследованиях и т.д.
Наиболее известным зарубежным производителем акселерометров в микромеханическом исполнении является фирма ANALOG DEVICES, данная фирма предлагает на рынок широкую номенклатуру акселерометров.
Отечественные разработчики предлагают акселерометры в микромеханическом исполнении, типов AT и АЛЕ.
Микромеханические гироскопы выпускаются зарубежными фирмами: Drayper Laboratory, System and Equipment, GyroStar, Daimler - Benz. Однако, отечественные производители предложить подобную продукцию на рынок пока не могут, эти приборы находятся в стадии интенсивной конструкторской разработки.
Известно, что акселерометры компенсационного преобразования обладают улучшенными характеристиками по сравнению с акселерометрами прямого преобразования. Компенсационная сила в микромеханическом акселерометре может быть сформирована либо с помощью электростатического, либо электромагнитного датчика силы. Акселерометр с электростатической обратной связью удачно реализуется именно в микромеханическом исполнении, так как подвижные электроды, размещаемые на чувствительном элементе акселерометра, выполняют роль элемента датчика перемещения емкостного типа, а также электростатического датчика силы. При этом технология их изготовления полностью соответствует так называемой "кремниевой технологии". Однако, в силу незначительных значений компенсирующей электростатической силы динамические возможности акселерометров с электростатической цепью разгрузки являются ограниченными. Более предпочтительными являются акселерометры с электромагнитным способом создания компенсирующей силы. Принципиально возможно создание магнитоэлектрической системы, используя методы "кремниевой технологии". Однако, по подобной схеме возможно формирование всего лишь нескольких витков катушки в виде слоев р-n- перехода, поэтому электромагнитная сила, развиваемая подобным
датчиком силы, оказывается соизмеримой с силой электростатического датчика силы, выполненного в тех же габаритах. #
Существует тип акселерометра, в котором чувствительный элемент и датчик перемещения выполнены по "кремниевой технологии", а силовой элемент магнитоэлектрического типа в традиционном исполнении.
Подобную схему акселерометра условно можно называть гибридной. Впервые данная схема (см. рис. В.1) была запатентована в США, которая была потом положена в основу некоторых отечественных разработок. Например, акселерометры типа AT 1104, разработчик - АНПП "ТЕМП-АВИА", г. Арзамас; ОКА - разработка РКБП, г. Раменское.
Акселерометры в гибридном исполнении обладают всеми достоинствами, присущими чувствительным элементам, шготовленным по кремниевой технологии. Некоторое увеличение массы и габаритов из-за объемной конструкции электромагнитного датчика силы компенсируется такими достоинствами, как увеличение диапазона измерений и виброустойчивостью при сохранении высокой чувствительности.
Ключевым моментом исследования акселерометров с микромеханическим чувствительным элементом является динамика их работы на подвижном основании.
Теоретическому исследованию динамики акселерометров с кремниевым чувствительным элементом посвящены работы [10], [12], [50], [64], [70], [72].
В работе [50] изучены погрешности акселерометров, обусловленные влиянием электромагнитного датчика момента, вибровозмущениями, а также влиянием газового демпфера. Показано, что указанные погрешности проявляются на высоких частотах, особенно это относится к погрешностям, обусловленным газодинамическим демпфированием. Показаны пути устранения этих погрешностей.
8 В работе [10] выполнено описание и анализ перспективных схем микромеханических акселерометров. Указаны возможности улучшения динамических характеристик по сравнению с существующими.
Рис В. 1. Микромеханический акселерометр. Конструктивная схема:
1,8- корпуса плунжерных моментных (силовых) датчиков; 2- опорное кольцо;
3- установочные платики; 4- подвижный электрод емкостного датчика
угла; 5- катушка моментного датчика; 6-магнит; 7,14- крышки; 9-
полюсный наконечник; 10- подвижная пластина; 11-упругая балка; 12-
токоподвод; 13- крепежное кольцо, 4- неподвижный электрод емкостного
датчика угла. Работа [12] является первым опытом создания учебного пособия по
микромеханическим приборам и является, безусловно, базой, которую
должны учитывать создатели учебных пособий по этому перспективному направлению приборостроения.
В работах [70], [72] приведена математическая модель чувствительного элемента на упругом подвесе. Выполнено исследование двух основных форм колебаний. Разработка программ численного интегрирования уравнений движения выполнена автором диссертации. Полученные результаты сопоставлялись с экспериментальными данными и показали вполне удовлетворительную сходимость.
В работе [64] исследовано влияние некоторых технологических факторов на внутреннее трение и модуль упругости кремния. Полученные результаты могут быть использованы на этапе проектирования датчиков.
Проектирование микромеханических акселерометров требует учета многообразных факторов, связанных, прежде всего, с особенностями динамики микромеханического чувствительного элемента на вибрирующем основании.
Проведенный обзор состояний исследований разработок акселерометров компенсационного типа показал, что отсутствуют исследования, посвященные вопросам проектирования акселерометров подобного типа. Таким образом, актуальной является задача разработки методики проектирования, учитывающая специфические особенности его динамики при установке на подвижном основании. На основании изложенного целью диссертационной работы является исследование особенностей динамики ЧЭ акселерометра с монокристаллическим маятником и разработка основ проектирования акселерометров с улучшенными динамическими характеристиками.
Указанная цель требует постановки и решения следующих научно-технических задач:
1. разработка математической модели акселерометра с
монокристаллическим маятником и с магнитоэлектрической обратной связью;
аналитическое и численное интегрирование математической модели акселерометра;
анализ динамики акселерометра с монокристаллическим маятником и с магнитоэлектрической обратной связью; _
анализ возможностей улучшения динамических характеристик акселерометра с монокристаллическим маятником;
экспериментальное исследование акселерометра с монокристаллическим маятником.
Практической разработке сформулированных задач посвящена данная работа, состоящая из введения, пяти разделов, заключения и приложения.
В первом разделе рассмотрены свойства кремния как конструктивного материала. Проанализированы возможные конструкции чувствительных элементов микромеханических акселерометров. Проведен обзор состояния теоретических и практических разработок в области микромеханических акселерометров.
Во втором разделе разработаны математические модели движения чувствительного элемента микромеханического акселерометра прямого и компенсационного измерения в предположении, что корпус акселерометра перемещается поступательно с постоянным ускорением, а также подвержен косой линейной и угловой вибрации. Проанализированы собственные колебания чувствительного элемента акселерометра прямого и компенсационного преобразования. Исследована динамика чувствительного элемента акселерометра на вибрирующем основании. Получены аналитические зависимости для динамических характеристик акселерометра на вибрирующем основании.
В третьем разделе предложена схема формирования сигнала и выведены уравнения движения чувствительного элемента акселерометра для данной схемы.
В четвертом разделе предложен метод расчета параметров маятникового узла акселерометров прямого и компенсационного
преобразования, обеспечивающих наилучшую равномерность начального участка АЧХ прибора.
В пятом разделе рассмотрена методика и аппаратурная реализация лабораторных экспериментов с акселерометрами прямого и компенсационного преобразования, проанализированы их результаты, доказана адекватность разработанных математических моделей.
В приложении описаны результаты диссертации, внедренные в учебный процесс, описан лабораторный практикум по курсу "Микромеханические приборы и их технология".
В заключении сформулированы основные результаты работы и констатировано, что совокупность результатов, полученных на основе теоретических и экспериментальных исследований, может быть определена как повышение эффективности динамических характеристик акселерометра.
Общая методика исследования
При решении поставленных задач применялись методы теоретической механики [87, 88], теории колебаний [54, 65], теории автоматического управления [5], высшей математики и ее специальных глав [68] в сочетании с лабораторными экспериментальными исследованиями.
Научная новизна работы
Математическая модель компенсационного акселерометра с монокристаллическим маятником и с магнитоэлектрической обратной связью.
Динамика акселерометра на вибрирующем основании. Аналитические зависимости, определяющие форму вынужденного движения монокристаллического маятника акселерометра.
Метод расчета параметров монокристаллического маятникового узла акселерометра, позволяющий создать образцы прибора с улучшенными показателями.
12 Практическая ценность работы
Разработан комплекс аналитических моделей и программных продуктов, позволяющих рассчитать параметры и характеристики акселерометра с монокристаллическим маятником прямого и компенсационного преобразования.
Показана возможность улучшения амплитудной частотной характеристики для работы акселерометра в качестве виброметра:
а. За счет изменения схемы формирования выходного сигнала.
б. За счет изменения параметров монокристаллического маятникового
узла.
3. Предложена схема формирования выходного сигнала акселерометра,
позволяющая улучшить динамические характеристики прибора.
Научные положения, выносимые на защиту
Математическая модель акселерометра с монокристаллическим маятником и с магнитоэлектрической обратной связью, записанная в предположении, что центр масс ЧЭ, являющегося абсолютно жестким телом, располагается в его геометрическом центре, ЧЭ связан с корпусом акселерометра гибкими эчементами балочного типа, массой которых можно пренебречь, по сравнению с массой ЧЭ.
Особенности динамики монокристаллического маятникового узла акселерометра на вибрирующем основании, учитывающие линейную и угловую составляющие движения ЧЭ.
Расчетные зависимости для определения динамических характеристик акселерометра. Метод расчета параметров монокристаллического маятникового узла акселерометра, позволяющий улучшить динамические характеристики акселерометра.
Апробация работы Основные результаты исследования по теме диссертационной работы докладывались на НТК ТулГУ (Тула, 1999, 2001), НТК ТАИУ (Тула, 2000),
13 НТК Федерального государственного унитарного предприятия «ГНПП «Сплав» (Тула, 2000).
Публикации
Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 6 печатных работах [35, 36,37, 38,39,71].
Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры "Приборы управления" Тульского государственного университета. Результаты диссертационной работы были внедрены в учебный процесс кафедры "Приборы управления" Тульского государственного университета и на предприятие ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА", а также опубликованы в печати и на различных научно-технических конференциях г. Тулы.
Особенности конструкции акселерометров с монокристаллическим чувствительным элементом и их технические характеристики
С подобным чувствительным элементом фирма Endevco (США) выпускает акселерометр с емкостным преобразователем перемещений в габаритах 25x16x10 мм. Предел измерения: 0,5 ... 10g. Демпфирование -газодинамическое. Полоса пропускания до 1000 Гц. Точность в зависимости от заказа и стоимости: 5%, 1%, 0,1% от максимального диапазона. Акселерометры с подобным чувствительным элементом, с жидкостным демпфированием и пьезорезисторными преобразователями перемещений выпускает НИИФИ (г. Пенза).
Для конкретных промышленных условий выбрана концепция, показанная на рис. 1.17а. Центральная подвижная масса закреплена четырьмя тонкими кремниевыми балками к внешней рамке. Балки расположены в пределах маленьких промежутков подвижной массы. По сравнению с другими подходами для датчиков акселерометра это расположение имеет преимущество - значительно большую чувствительность. Чувствительность увеличивается с увеличением длины поддерживающих балок и достигает максимума для некоторого отношения длины к размеру датчика. Для данного размера датчика 5 мм х 5 мм и такой же конфигурации поддерживающих балок, чувствительность оказалась максимально возможной.
Как принцип преобразования выбран пьезорезистивный эффект, который приводит к относительным изменениям сигнала от данного наклона, которые приблизительно на 60 % больше чем для емкостного съема той же самой информации. Угол наклона может быть извлечен из выходного сигнала двух полных мостов Винстона. Наклон датчика вокруг одной оси вызывает s-образное искажение тех балок, которые ориентированы перпендикулярно к оси наклона. Балки, параллельные оси наклона, испытывают угловые нагрузки. Помещая резисторы сосредоточенно и перпендикулярно к продольному направлению балок, произвольный угол наклона может быть определен независимо для обеих осей по падению напряжения на двух мостах Винстона. Размещение и ориентация резисторов гарантируют самую высокую чувствительность и самое низкое возможное взаимное перекрытие. Резисторы получены р-примесным кремнием. Прибор выдерживает ускорение около 100g во всех направлениях. Полный диапазон измерения углов ±80. Выходной сигнал имеет форму, близкую к синусоиде. Средняя чувствительность прибора около 0,1 мВ на градус наклона. Некоторые приборы из числа испытанных показали чувствительность около 1 мВ на градус наклона. Наибольшая чувствительность соответствует малым углам наклона.
Акселерометры этой серии могут найти применение: при измерении углов наклона в автомобильных сигнальных устройствах и мониторах пациентов; при реакции на инерциальные силы для защиты дисков компьютеров типа Notebook, в чувствительных элементах подушек безопасности, в системах навигации автомобиля, в системах контроля работы лифта; при наличии ударов и вибрации в системах управления станками и контроля вибростендов.
Акселерометрам маятникового типа (угловые акселерометры), у которых чувствительный элемент выполнен в виде поплавка со смещённым центом масс, либо маятника (конфигурация маятника определяется главным образом способом измерения его угловых перемещений и создания "электрической пружины") с керновыми, шарикоподшипниковыми опорами и др. посвящена достаточно обширная литература которая дает представление, как о конструкции акселерометров, так и о проблемах, сопутствующих их разработке.
Публикации, в той или иной мере относящиеся к акселерометрам, маятниковая система которых выполнена из монокристаллического материала, относительно немногочисленны и их можно разбить по тематике затрагиваемых вопросов. Общие вопросы разработки (схемотехника, основы технологии, расчёты параметров) датчиков физических величин (сила, давление, температура, влажность, перемещение), чувствительные элементы которых выполняются с использованием технологий, принятых в микроэлектронике, рассмотрены в работах [4, 6, 64].
Практические разработки в области использования кремниевой микромеханики в датчиках первичной информации на отечественных предприятиях начались в 80-х годах. Пионерами в этом направлении являются Пензенский НИИ физических измерений, где разработаны и освоены в производстве датчики различного назначения, и в том числе акселерометры. Ряд прецизионных кремниевых акселерометров компенсационного типа с магнитоэлектрической обратной связью для систем инерциальной навигации разработаны в РПКБ (Раменское).
Теоретические работы по исследованию акселерометров с маятниками из монокристаллических материалов практически отсутствуют. Здесь можно указать работу [12], в которой рассмотрен важный вопрос аэродинамического демпфирования чувствительных элементов интегральных акселерометров. Следует отметить, что вопрос аэродинамического демпфирования маятника из монокристаллического материала рассмотрен и в монографии [50] в аспекте виброустойчивости акселерометра. В интересном исследовании [2] изучены частотные характеристики акселерометра с маятником из монокристаллического материала и ёмкостным преобразователем перемещений. К сожалению, объём статьи не позволил её автору изложить методику исследования так, чтобы можно было ею воспользоваться и получить воспроизводимые результаты.
Из приведённого краткого обзора следует, что отечественные предприятия выпускают акселерометры с монокристаллическими маятниковыми чувствительными элементами. Коммерческие интересы разработчиков требуют продвижения своей продукции к потребителям и поэтому информация о технических характеристиках акселерометров вполне доступна. Однако те же интересы не стимулируют публикацию материалов теоретического и расчётного характера. Следует также иметь в виду, что в столь деликатной области как микромеханика, требуется тщательная разработка математических моделей, чтобы они с приемлемой точностью отражали реальные процессы с участием монокристаллических элементов.
Численное решение уравнений движения чувствительного элемента акселерометра на вибрирующем основании
Каждая емкость включена в состав задающего контура генераторов П и Г2. Соответственно, частота одного генератора уменьшается, а другого увеличивается. Сигналы от каждого генератора складываются с помощью смесителя СМ, а разностная частота этих сигналов является выходным сигналом акселерометра. Такая схема акселерометра позволяет исключить дополнительные детали на маятнике и значительно упростить конструкцию чувствительного элемента прибора.
При действии ускорения вдоль оси чувствительности прибора, емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается. Измеряя разность частот этих двух генераторов, можно определить действующее ускорение.
Основные достоинства этого акселерометра: простота конструкции и малая стоимость. Поэтому он может найти применение для недорогих систем управления различными объектами, где не требуется высокая точность. Акселерометр разомкнутого типа с частотным выходом АЦ-1 имеет следующие характеристики: диапазон измерения ±40g; крутизна характеристики 4,0±0,5 кГц/g; точность 0,1%; время готовности 0,2с; напряжение питания ±5В. Поскольку цифровые расчетные и экспериментальные данные относятся к акселерометру AT 1104 (разработка АН! 111 "Темп-Авиа"), приведем некоторые характеристики этого акселерометра. На рис. 1.8 показана конструкция акселерометра AT 1104. Чувствительным элементом - маятником акселерометра является подвижная часть 7 кремниевой пластины 6, соединённая с ней тремя упругими элементами. Изготовлен чувствительный элемент (ЧЭ) методом анизотропного травления. Кремниевая пластина по периметру защемлена между стёклами 9. Пластина и стёкла имеют примерно равные коэффициенты теплового расширения. С ЧЭ жёстко скреплены кронштейны 5, на которых смонтированы катушки 8. Очевидно, в силу этого увеличивается маятниковость ЧЭ. Стёкла с ЧЭ и катушками размещены между магнитопроводами 2 цилиндрической формы и с помощью втулки 10 объединены в монолитную конструкцию. Соосно с катушками размещены магниты 3, на которых укреплены наконечники 4 из магнитомягкого материала. Вся конструкция смонтирована на корпусе 1, внутри которого (на рис. 1.8 не показан) размещены элементы электронной схемы, и закрыта герметичной крышкой 11. Благодаря герметизации возможно заполнение акселерометра инертным газом и создание внутреннего давления (если это необходимо). . На рис. 1.9 показана схема маятникового узла акселерометра, который состоит из пластины 3, соединённой тремя упругими балками 2 с корпусом 1. На пластине установлены две катушки 4, которые входят в контур обратной связи. Корпус, пластина маятника и упругие балки изготовлены из одного монокристалла, на пластине имеются сквозные отверстия - перфорация П, изменяя размеры которых можно влиять на степень газодинамического демпфирования маятника. Пластина вместе с катушками является чувствительным элементом - маятником акселерометра. Центр тяжести маятника (т. С) совпадает с геометрическим центром симметрии пластины и двух катушек. Между поверхностями ЧЭ-маятника и стёклами имеются зазоры в пределах (16±18)мкм. Эти зазоры определяют возможность поворота ЧЭ относительно оси упругих элементов (балок), которая лежит в плоскости ЧЭ. Поверхности ЧЭ-маятника и стекол со стороны зазоров покрыты слоем металлизации, и таким образом получен дифференциальный ёмкостный датчик перемещений ЧЭ-маятника. Катушки и магнитная система образуют магнитоэлектрический датчик силы, который включён в цепь обратной связи и образует электрическую "пружину". Акселерометры этого типа нашли широкое применение в различных областях техники. Например, они являются чувствительным элементом измерителя углов наклона железнодорожных машин, разработанного в ТулГУ (г. Тула) [70], а также используются при каротажных измерениях, в навигационных системах и др. По схеме балочного акселерометра выпускаются также приборы типа ATI 101, ATI 105 (разработка АНПП "Темп-Авиа") и другие.
Вывод уравнений для определения параметров маятникового узла акселерометра
Возможный вариант построения акселерометра прямого измерения с подвесом маятника по схеме рис. 1.1 \а показан на рис. 1.13 [10].
Как и на рис. 1.116, маятник выполнен по обращенной схеме. Подвижная пластина 3 (рис. 1.13а) является маятником, который с помощью четырех упругих перемычек подвеса 2 соединен с базовым основанием 1. Вся маятниковая система может быть выполнена из монокристаллического кремния методом анизотропного травления. Торцовые поверхности базы 1 могут быть соединены со стеклянными боросиликатными крышками, например, электростатической сваркой. Подвижная пластина является одновременно центральным электродом емкостного датчика перемещений. Неподвижные электроды напылены на крышки. Схема включения электродов датчика перемещений для линейного акселерометра показана на рис. 1.136, а для углового - на рис. 1.1 Зв.
Не останавливаясь далее на описании возможных конструкций акселерометров, перейдем к рассмотрению акселерометра с подвесом маятника по схеме рис. 1.11а, разработанного в Draper Laboratory (США).
Маятник 1 (рис. 1.14а) представляет собой прямоугольную в плане пластину постоянной толщины, подвешенную на паре торсионных упругих элементов 2. Маятниковый эффект достигается асимметрией подвеса пластины на торсионах (рис. 1.146). заданный диапазон измеряемых ускорений. Акселерометр может работать в разомкнутом режиме и с контуром обратной связи. Выбор режима работы зависит от требований точности, диапазона измерений и стоимости прибора. С замкнутым контуром коррекции ток, пропорциональный результирующему изменению емкости, идет от гибкого элемента (торсиона) подвеса через усилитель (У), демодулятор (Д) к сумматору (І), в котором происходит алгебраическое сложение опорного напряжения Vo и напряжения V, пропорционального перемещениям маятника.
Разработку маятникового акселерометра с электростатической обратной связью проводит РПКБ (г. Раменское). Конструкция акселерометра состоит из следующих элементов: плоского прямоугольного кремниевого маятника, подвешенного с одной стороны на упругих перемычках, напыленных на корпусе прибора электродов, которые одновременно выполняют роль электродов датчика угла и исполнительного элемента обратной связи. Блок-схема акселерометра приведена на рис. 1.15. Переменное напряжение от задающего генератора ЗГ подается в противофазе на неподвижные электроды акселерометра. Сигнал отклонения снимается с маятника и подается на усилитель У, а затем на демодулятор Д. На маятник подается постоянное смещение Uo для обеспечения работы электростатического подвеса. Напряжение выхода демодулятора U подается на одну обкладку подвеса непосредственно, а на другую - через инвертор И. На рис. 1.16 показана схема осевого чувствительного элемента акселерометра с четырьмя упругими элементами (балки, растяжки) подвеса. С подобным чувствительным элементом фирма Endevco (США) выпускает акселерометр с емкостным преобразователем перемещений в габаритах 25x16x10 мм. Предел измерения: 0,5 ... 10g. Демпфирование -газодинамическое. Полоса пропускания до 1000 Гц. Точность в зависимости от заказа и стоимости: 5%, 1%, 0,1% от максимального диапазона. Акселерометры с подобным чувствительным элементом, с жидкостным демпфированием и пьезорезисторными преобразователями перемещений выпускает НИИФИ (г. Пенза). Для конкретных промышленных условий выбрана концепция, показанная на рис. 1.17а. Центральная подвижная масса закреплена четырьмя тонкими кремниевыми балками к внешней рамке. Балки расположены в пределах маленьких промежутков подвижной массы. По сравнению с другими подходами для датчиков акселерометра это расположение имеет преимущество - значительно большую чувствительность. Чувствительность увеличивается с увеличением длины поддерживающих балок и достигает максимума для некоторого отношения длины к размеру датчика. Для данного размера датчика 5 мм х 5 мм и такой же конфигурации поддерживающих балок, чувствительность оказалась максимально возможной. Как принцип преобразования выбран пьезорезистивный эффект, который приводит к относительным изменениям сигнала от данного наклона, которые приблизительно на 60 % больше чем для емкостного съема той же самой информации. Угол наклона может быть извлечен из выходного сигнала двух полных мостов Винстона. Наклон датчика вокруг одной оси вызывает s-образное искажение тех балок, которые ориентированы перпендикулярно к оси наклона. Балки, параллельные оси наклона, испытывают угловые нагрузки. Помещая резисторы сосредоточенно и перпендикулярно к продольному направлению балок, произвольный угол наклона может быть определен независимо для обеих осей по падению напряжения на двух мостах Винстона.
Анализ адекватности математической модели прибора прямого и компенсационного преобразования
Угол наклона может быть извлечен из выходного сигнала двух полных мостов Винстона. Наклон датчика вокруг одной оси вызывает s-образное искажение тех балок, которые ориентированы перпендикулярно к оси наклона. Балки, параллельные оси наклона, испытывают угловые нагрузки. Помещая резисторы сосредоточенно и перпендикулярно к продольному направлению балок, произвольный угол наклона может быть определен независимо для обеих осей по падению напряжения на двух мостах Винстона. Размещение и ориентация резисторов гарантируют самую высокую чувствительность и самое низкое возможное взаимное перекрытие. Резисторы получены р-примесным кремнием.
Прибор выдерживает ускорение около 100g во всех направлениях. Полный диапазон измерения углов ±80. Выходной сигнал имеет форму, близкую к синусоиде. Средняя чувствительность прибора около 0,1 мВ на градус наклона. Некоторые приборы из числа испытанных показали чувствительность около 1 мВ на градус наклона. Наибольшая чувствительность соответствует малым углам наклона.
Акселерометры этой серии могут найти применение: при измерении углов наклона в автомобильных сигнальных устройствах и мониторах пациентов; при реакции на инерциальные силы для защиты дисков компьютеров типа Notebook, в чувствительных элементах подушек безопасности, в системах навигации автомобиля, в системах контроля работы лифта; при наличии ударов и вибрации в системах управления станками и контроля вибростендов.
Акселерометрам маятникового типа (угловые акселерометры), у которых чувствительный элемент выполнен в виде поплавка со смещённым центом масс, либо маятника (конфигурация маятника определяется главным образом способом измерения его угловых перемещений и создания "электрической пружины") с керновыми, шарикоподшипниковыми опорами и др. посвящена достаточно обширная литература которая дает представление, как о конструкции акселерометров, так и о проблемах, сопутствующих их разработке.
Публикации, в той или иной мере относящиеся к акселерометрам, маятниковая система которых выполнена из монокристаллического материала, относительно немногочисленны и их можно разбить по тематике затрагиваемых вопросов. Общие вопросы разработки (схемотехника, основы технологии, расчёты параметров) датчиков физических величин (сила, давление, температура, влажность, перемещение), чувствительные элементы которых выполняются с использованием технологий, принятых в микроэлектронике, рассмотрены в работах [4, 6, 64].
Практические разработки в области использования кремниевой микромеханики в датчиках первичной информации на отечественных предприятиях начались в 80-х годах. Пионерами в этом направлении являются Пензенский НИИ физических измерений, где разработаны и освоены в производстве датчики различного назначения, и в том числе акселерометры. Ряд прецизионных кремниевых акселерометров компенсационного типа с магнитоэлектрической обратной связью для систем инерциальной навигации разработаны в РПКБ (Раменское).
Теоретические работы по исследованию акселерометров с маятниками из монокристаллических материалов практически отсутствуют. Здесь можно указать работу [12], в которой рассмотрен важный вопрос аэродинамического демпфирования чувствительных элементов интегральных акселерометров. Следует отметить, что вопрос аэродинамического демпфирования маятника из монокристаллического материала рассмотрен и в монографии [50] в аспекте виброустойчивости акселерометра. В интересном исследовании [2] изучены частотные характеристики акселерометра с маятником из монокристаллического материала и ёмкостным преобразователем перемещений. К сожалению, объём статьи не позволил её автору изложить методику исследования так, чтобы можно было ею воспользоваться и получить воспроизводимые результаты.
Из приведённого краткого обзора следует, что отечественные предприятия выпускают акселерометры с монокристаллическими маятниковыми чувствительными элементами. Коммерческие интересы разработчиков требуют продвижения своей продукции к потребителям и поэтому информация о технических характеристиках акселерометров вполне доступна. Однако те же интересы не стимулируют публикацию материалов теоретического и расчётного характера. Следует также иметь в виду, что в столь деликатной области как микромеханика, требуется тщательная разработка математических моделей, чтобы они с приемлемой точностью отражали реальные процессы с участием монокристаллических элементов.
В настоящее время наиболее приемлемым материалом для изготовления маятникового узла микромеханических акселерометров является кремний. В качестве датчиков съема используются емкостные датчики перемещений. Обратная связь для акселерометров компенсационного преобразования организована с помощью электростатических или магнитоэлектрических сил. Наибольшим диапазоном измерения обладает акселерометры с магнитоэлектрической обратной связью.
Проведен обзор состояния теоретических и практических разработок в области акселерометров с монокристаллическим маятником показал, что в литературе ограничено освящены вопросы математического моделирования движения монокристаллического ЧЭ акселерометра компенсационного преобразования для возмущений, обусловленных постоянным ускорением, а также косой линейной и угловой вибрации; недостаточно исследованы динамические характеристики акселерометра прямого и компенсационного преобразования, учитывающие линейную и угловую составляющие движения ЧЭ; отсутствуют аналитические выражения, определяющие формы вынужденного движения ЧЭ акселерометра на вибрирующем основании.
