Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние разработок емкостных МЭМС-датчиков и измерительных цепей для них 12
1.1 Состояние разработок емкостных МЭМС-датчиков. 12
Дифференциальный кремниевый микроконденсатор - основной элемент конструкции МЭМС-датчика
1.2 Основные проблемы развития емкостных МЭМС-датчиков и измерительных цепей для них 18
1.3 Измерительные цепи МЭМС-датчиков 22
1.4 Приоритетные направления совершенствования емкостных МЭМС-датчиков 29
Выводы и задачи дальнейших исследований 34
2 Исследование конструктивно-технологических методов повышения стабильности измерительных цепей емкостных МЭМС-датчиков 35
2.1 Исследование технологических проблем совершенствования емкостных МЭМС-датчиков 35
2.2 Исследования температурно-деформационной нестабильности смещения нуля измерительных цепей емкостных МЭМС-датчиков 41
2.3 Исследование механизмов влияния полупроводниковых свойств кремния на нестабильность емкостных МЭМС-датчиков 48
2.4 Исследование возможности оптимизации выбора известных измерительных цепей для построения высокостабильных емкостных МЭМС-датчиков 66
Выводы 75
3 Исследование возможности повышения стабильности емкостных МЭМС-датчиков за счет реализации измерительных цепей на основе схем импульсного уравновешивания 76
3.1 Исследование возможности повышения стабильности емкостных МЭМС-датчиков за счет построения измерительной цепи на основе схемы с импульсным уравновешиванием зарядов 76
3.2 Исследование возможности повышения стабильности емкостных МЭМС-датчиков за счет реализации измерительной цепи на основе схем импульсного уравновешивания сил 86
3.3 Исследование и разработка методов стабилизации зарядового состояния в дифференциальном кремниевом микроконденсаторе МЭМС-датчика 96
Выводы 105
4 Экспериментальные исследования разработанных МЭМС-акселерометров на основе реализации режимов импульсного уравновешивания в измерительных цепях 106
4.1 МЭМС-акселерометр с измерительной цепью на основе схемы с импульсным уравновешиванием зарядов 106
4.2 МЭМС-акселерометр с измерительной цепью на основе импульсного уравновешивания 117
4.3 Экспериментальные исследования уровня собственных шумов разработанных МЭМС-акселерометров 121
4.4 Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований 126
Выводы 130
Заключение 131
Список использованных источников 133
Приложение А - Акты внедрения результатов работы 144
- Измерительные цепи МЭМС-датчиков
- Исследование механизмов влияния полупроводниковых свойств кремния на нестабильность емкостных МЭМС-датчиков
- Исследование возможности повышения стабильности емкостных МЭМС-датчиков за счет реализации измерительной цепи на основе схем импульсного уравновешивания сил
- Экспериментальные исследования уровня собственных шумов разработанных МЭМС-акселерометров
Введение к работе
Актуальность работы. Современные достижения в материаловедении и технологиях микроэлектромеханики способствуют реализации инновационного прорыва, за которым стоят рынки сбыта датчиков на основе технологий микроэлектромеханических систем - от навигационных спутниковых систем GLONASS/GPS до систем управления движением изделий ракетно-космической техники (РКТ), маломерных подвижных объектов, транспортных средств и т.д. В мировом объеме производства МЭМС-устройств на долю емкостных МЭМС-датчиков различных физических величин приходится до 40 %.
Общим недостатком большинства отечественных и зарубежных емкостных МЭМС-датчиков, основу которых составляет дифференциальный кремниевый микроконденсатор (ДКМ), является неудовлетворительная стабильность, ограничивающая возможности совершенствования метрологических характеристик (MX) датчиков. Гипотезой, объясняющей наличие нестабильности, долгое время являлось предположение значимости влияния температурно-деформационного дрейфа места заделки подвижной пластины ДКМ. Попытки уменьшения указанной нестабильности известными в классических промышленных технологиях путями - снятием остаточных напряжений, уменьшением контактных деформаций и т.д. - не давали ощутимых положительных результатов. Толчком к поиску новых механизмов возникновения нестабильности параметров ДКМ как основного элемента МЭМС-датчиков явилось выявление ее зависимости от значения и полярности управляющего напряжения, подключаемого к подвижной пластине ДКМ. Это обстоятельство косвенным образом указывало на наличие в измерительной цепи (ИЦ) управляемых структур, возникающих из-за несовершенства электрофизических свойств монокристаллического кремния в процессе изготовления МЭМС-датчиков.
Исследованиям проблем оценки взаимосвязи качества МЭМС-датчиков и неидеальности электрофизических свойств полупроводников и диэлектриков посвящены работы И. А. Аверина, Пензенский государственный университет, г. Пенза; М. И. Горлова, А. В. Строганова, Е. А. Тутова, Воронежский государственный университет, г. Воронеж; В. А. Емельянова, НПО «Интеграл», г. Минск; Е. А. Мокро-ва, А. А. Папко, ОАО «НИИФИ», г. Пенза и др. Значительное число работ по исследованию ИЦ емкостных датчиков выполнено членами научной школы под руководством В. С. Гутникова А. И. Передовым,
з х ..А
I \
Э. А. Кудряшовым. Однако приведенные в них результаты не позволяют разработать пути повышения стабильности ИЦ МЭМС-датчи-ков без дополнительных исследований и не обеспечивают высокой степени соответствия известных математических моделей и процессов, реально протекающих в ДКМ, и ограничивают возможности моделирования как одного из основных методов проектирования.
В этой связи актуальным является уточнение механизмов возникновения паразитных полупроводниковых структур в ДКМ, повышение адекватности математических моделей и разработка на их основе путей построения ИЦ для высокостабильных МЭМС-датчиков. Актуальность решаемых задач подтверждается включением исследований МЭМС-технологий в утвержденный перечень критических технологий Российской Федерации.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование ИЦ емкостных МЭМС-датчиков, обеспечивающих высокую стабильность за счет уменьшения негативного влияния паразитных полупроводниковых структур, возникающих при изготовлении кремниевых чувствительных элементов (ЧЭ) в виде ДКМ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- исследовать механизмы возникновения нестабильности пара
метров ДКМ, возникающих при их изготовлении, сформировать тре
бования к ИЦ, позволяющие уменьшить влияние определенных ме
ханизмов на нестабильность МЭМС-датчиков;
разработать математические модели поведения ДКМ и ИЦ, учитывающие влияние паразитных полупроводниковых структур в ДКМ;
провести исследования путей повышения стабильности емкостных МЭМС-датчиков на примере акселерометров с применением ИЦ уменьшающих влияние паразитных полупроводниковых структур в ДКМ;
подтвердить экспериментально результаты теоретических исследований и разработать ИЦ МЭМС-датчиков повышенной стабильности.
Методы исследований. Для решения поставленных задач применялись методы теории измерительных цепей уравновешивания, теории систем автоматического регулирования, физики полупроводников, теории переноса зарядов, теории динамических измерений, математического моделирования, микрозондовые методы анализа электрофизических свойств кремния.
Научная новизна.
-
Уточнены механизмы возникновения паразитных полупроводниковых структур в ДКМ и установлено, что по влиянию на неизменность пространственного положения подвижной пластины и стабильность начальных значений емкостей наиболее значимыми являются структуры «металл-диэлектрик-полупроводник» (МДП).
-
Выявлено, что релаксация медленных поверхностных состояний на подвижной пластине ДКМ под воздействием подключенных к ней электрических сигналов приводит к увеличению нестабильности их параметров и датчиков на основе ДКМ.
-
Предложена новая модель электрической схемы ДКМ в виде последовательного соединения измерительных конденсаторов с конденсаторами эквивалентной емкости МДП-структуры, изменяющейся со временем релаксации медленных поверхностных состояний, позволившая уточнить математические модели ИЦ и впервые обеспечить возможность проведения сравнительных оценок нестабильности параметров функций преобразования МЭМС-акселерометров.
-
Установлено, что наличие в ДКМ паразитных МДП-структур приводит к появлению эффекта возникновения положительной обратной связи в течение времени релаксации зарядов в цепях электростатического уравновешивания пространственного положения подвижной пластины.
Практическая значимость.
-
Предложены пути уменьшения негативного влияния паразитных МДП-структур, возникающих при изготовлении ЧЭ в виде ДКМ целого класса емкостных МЭМС-датчиков на основе кремния - акселерометров, датчиков давления и т.д.
-
Разработан новый метод контроля искажения информационного сигнала в ИЦ на основе оценки разности потенциалов на металлизированных электрических контактах и поверхностях кремниевых пластин ДКМ, позволяющий повысить качество и снизить трудоемкость изготовления на первоначальных стадиях.
-
Разработана методика оценки уровня собственных шумов ИЦ МЭМС-акселерометров.
-
Предложены усовершенствованные ИЦ для построения МЭМС-акселерометров с повышенной стабильностью.
На защиту выносятся:
-
результаты исследования механизмов возникновения нестабильности ДКМ и математические модели ИЦ, позволяющие сформулировать новые пути совершенствования МЭМС-датчиков;
-
метод контроля искажения информационного сигнала в ДКМ на первоначальных стадиях их изготовления;
-
метод сравнительной оценки стабильности ИЦ на основе вычисления приведенного функционала от квадратичного изменения параметров функции преобразования, учитывающих нестабильность параметров ДКМ в установленном интервале времени;
-
результаты экспериментального определения нестабильности и уровня собственных шумов ИЦ МЭМС-датчиков;
-
конструкторско-технологические и схемотехнические решения ИЦ МЭМС-датчиков для изделий РКТ.
Реализация и внедрение результатов работы.
-
Результаты проведенных научных исследований послужили основой для доработки ИЦ существующих емкостных акселерометров (АЛЕ 049, АЛЕ 050) и разработки нового поколения акселерометров с улучшенной стабильностью MX (АЛЕ 056, АЛЕ 058, АЛЕ 058М) для исследования параметров движения летательных аппаратов.
-
Акселерометры АЛЕ 049, АЛЕ 050 внедрены на изделиях РКТ «Синева», «Булава», «Тополь-М», «МКС», «Союз», «Протон».
Результаты настоящей работы в виде математических моделей ДКМ, теоретических и экспериментальных методов исследования и сравнения ИЦ используются при разработке датчиков в рамках Федеральной целевой программы (ФЦП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г. Пенза, 2004, 2007, 2008); Ш Международной научно-технической конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (г. Пенза, 2004); Международной научно-технической конференции «Датчики и системы» (г. Пенза, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Создание и развитие датчи-
ков для систем измерения, контроля, управления и диагностики». Датчики и системы - 2006 (г. Москва, 2006); 1-й Российской мультиконферен-ции по проблемам управления (г. Санкт-Петербург, 2006); ХХПІ, XXIV, XXV и XXVI Российских научно-технических конференциях «Наукоемкие проекты и высокие технологии - производству 21 века» (г. Пенза, 2004, 2005, 2006 и 2007); Региональной научно-практической конференции по проблемам и развитшо наноиндустрии в Пензенской области (г. Пенза, 2008); конференции Десятого международного форума «Высокие технологии XXI века» (г. Москва, 2009); VIII Научно-технической конференции «Микротехнологий в космосе» (г. Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе одна печатная работа в журнале, рекомендованном ВАК, 7 печатных работ без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 127 листах. Список литературы включает 107 наименований.
Измерительные цепи МЭМС-датчиков
В простейшем случае ИЦ емкостного МЭМС-датчика содержит усилитель к входу которого подключены емкости ДКМ, генератор переменных сигналов, обеспечивающий возможность их измерения и фазочувствительный детектор. Известно, что способ подключения ДКМ к ИЦ зависит от таких его особенностей как высокое выходное сопротивление и гиперболическая зависимость емкости от перемещения. ИЦ для дифференциальных емкостных датчиков обладают более широкими функциональными возможностями.
В ДКМ информацию об измеряемой величине несет только значение так называемых рабочих емкостей, связанных с перемещением известной функциональной зависимостью. Наряду с этими емкостями в конструкции акселерометра имеют место паразитные емкости. Они, как правило, имеют нестабильные и неопределенные значения, и, чаще всего, по величине значительно превосходят величину рабочей емкости. Например, погонная емкость одного экранированного провода в лучшем случае составляет «50пФ/м, а ее фактические величина и стабильность не нормируются. Однако следует иметь в виду, что влияние паразитных емкостей на результат измерения перемещения зависит от принципа действия ИЦ МЭМС-датчика.
Вопросом создания ИЦ емкостных датчиков посвящено много работ, но наибольший интерес представляют результаты исследований, опубликованные в работах [3, 39, 41, 88, 102, 103]. Однако в указанных источниках не представлены результаты исследования влияния на метрологические характеристики датчиков шумовых процессов в ДКМ.
Общие правила построения ИЦ заключаются:
а) в рациональном конструировании, уменьшающем поверхностные токи утечки. Это предполагает применение материалов с хорошими изолирующими свойствами;
б) в применении эквипотенциальной защиты или охранного экранирования. Для этого при использовании инвертирующих усилителей охранным кольцом охватывается неинвертирующий вход, а затем кольцо и экраны проводов, соединяющих ДКМ с усилителем, "заземляются". При использовании неинвертирующих усилителей (повторителей) охранными кольцами охватываются оба входа, которые затем вместе с экраном соединительных проводов объединяются с выходом повторителя, либо с центром соединенного с ним низкоомного делителя;
в) в компенсации влияния емкостей на входах операционных усилителей. Для компенсации входной емкости на инвертирующем входе включают емкость параллельно резистору в цепи ООС усилителя. Нейтрализацию входной емкости неинвертирующего усилителя осуществляют введением так называемой «отрицательной» емкости, включаемой между выходом и неинвертирующим входом усилителя.
В основу принципа действия ИЦ ДКМ могут быть положены преобразования "емкость-ток" и "емкость-напряжение". Преобразование "емкость-ток" позволяет эффективно избавляться от влияния паразитных емкостей, связанных с землей, или другими словами обеспечивать инвариантность от влияния этих емкостей. Указанное свойство приводит к целесообразности применения преобразователя "емкость-ток" в качестве предварительного узла преобразователей "емкость-напряжение". Преобразование "емкость-ток" выполняют, например, усилители заряда и схемы уравновешенных трансформаторных мостов переменного тока с тесной индуктивной связью. Следует отметить, что использование трансформаторных мостов практически невозможно в МЭМС-датчиках из-за несовместимости технологий, в этой связи они в настоящей работе рассматриваться не будут. ИЦ для измерения емкостей отличаются значительным разнообразием. Приоритетными характеристиками ИЦ емкостных датчиков являются:
- высокая чувствительность, способствующая возможности использования методов уравновешивания для повышения точности;
- инвариантность по отношению к паразитным емкостям;
- совместимость схемно-конструктивных решений с микроэлектронным исполнением.
В таблице 1.3 представлены наиболее приемлемые ИЦ емкостных МЭМС-датчиков [75 - 77]. Указанные данные представлены в качестве основы для обоснования их дальнейшего выбора с учетом особенностей построения ДКМ.
Согласно приведенным в таблице 1.3 данным сделаны следующие выводы:
1. Применение представленных ИЦ позволяет достаточно эффективно решать проблемы повышения чувствительности и линейности ФП, а также согласования с емкостным датчиком и кабельной линией;
2. Наряду с этим представленные математические модели ФП не содержат членов, отражающих влияния на ее параметры нестабильности характеристик ДКМ и собственных характеристик ИЦ. В этой связи выбор и обоснование применения РИД для конкретного емкостного МЭМС-датчика приводят к необходимости уточнения математических моделей ИЦ.
Исследование механизмов влияния полупроводниковых свойств кремния на нестабильность емкостных МЭМС-датчиков
Актуальность решения проблем создания конструкций миниатюрных МЭМС-датчиков на основе кремния как материала с отличными механическими характеристиками отодвинула на второй план исследование особенностей влияния его полупроводниковых свойств на процесс преобразования информации об измеряемом параметре. Механизм этого влияния слабо изучен в силу того, что целью известных исследований физики полупроводников является анализ статики и динамики поведения носителей тока в них под воздействием внешних полей в то время, как для емкостных МЭМС-датчиков интерес представляют электрофизические свойства кремниевых поверхностей большой площади.
Толчком к началу исследования влияния полупроводниковых свойств ДКМ на процесс преобразования информации послужила выявленная на серийных образцах МЭМС-акселерометров АЛЕ 050 зависимость времени вхождения в режим от величины и полярности напряжения U, прикладываемого к кремниевой пластине и пропорционального измеряемому ускорению. Это явление косвенным образом указывало на наличие полупроводниковых переходов в цепи преобразования информационных сигналов. Исследования привели к заключению о том, что такие переходы могут возникать при реализации электрического подключения кремниевой пластины к РЩ. При выполнении металлизации на поверхности кремния возможно [18, 24]:
1) возникновение барьера Шоттки между слоем металла и полупроводника;
2) возникновение перехода "металл-диэлектрик-полупроводник" (МДП) между теми же слоями.
Графически механизм образования нестабильности выходного сигнала микромеханических акселерометров за счет наличия эффекта Шоттки показан на рисунке 2.8.
В общем случае высота барьера зависит не только от работы выхода металлов, но и от плотности поверхностных состояний и степени легирования полупроводника. Она очень чувствительна к термообработке образца до и после напыления металла, а также к загрязнениям поверхности и воздействию внешних электромагнитных полей.
В случае, когда на поверхности полупроводника имеется большая плотность поверхностных состояний, высота барьера определяется только свойствами поверхности полупроводника и не зависит от работы выхода металлов.
Энергетические характеристики поверхности полупроводника определяются поверхностными состояниями или уровнями Тамма, которые возникают вследствие обрыва периодичности, кристаллического потенциала на поверхности полупроводника. Они приводят к появлению локализованных состояний, энергетические уровни которых располагаются в запрещенной зоне. Так на чистом сколе кремния, полученном в сверхвысоком вакууме, плотность захваченных зарядов чрезвычайно велика, достигая числа атомов на свободной поверхности кристалла (103 атом-см"").
Экспериментально наличие барьера Шоттки между металлизированной площадкой и поверхностью кремния в ДКМ МЭМС-датчика определяется достаточно просто - с применением стандартизованного средства измерения характеристик полупроводниковых приборов, например, Л2-56А. При измерениях установлено, что для кристаллов, выполненных из кремния обоих типов проводимости, полученная характеристика аналогична вольтамперной характеристике перехода с туннельным пробоем. Очевидно, что влияние барьера Шоттки на характеристики обратного преобразователя оценивается по величине барьерной емкости, а на характеристики датчика перемещения — по вольтамперной характеристике. Учитывая известную температурную нестабильность характеристик специально формируемых полупроводниковых структур, можно себе представить, к какому температурной нестабильности выходного сигнала могут приводить "паразитные" структуры, отличающиеся значительным разбросом параметров [12].
Таким образом, можно сделать вывод о том, что наличие барьера Шоттки в сочетании со свойством длительной релаксации зарядов поверхностных состояний может приводить к возникновению потерь информационного сигнала на участке от места его электрического подключения до поверхности подвижной кремниевой пластины. Величина потерь зависит от многих факторов, в том числе от величины и полярности управляющего напряжения. Уменьшать высоту барьера Шоттки при контакте заданных материалов можно путем создания омического контакта, сопротивление которого пренебрежимо мало по сравнению с объемным сопротивлением полупроводника. Для получения малых сопротивлений контакта требуется либо высокая степень легирования, либо малая высота барьера, или то и другое вместе. При конструировании ДКМ реализация этих мер является необходимой.
Структура "металл-диэлектрик-полупроводник" (МДП) возникает в кремниевом ДКМ тогда, когда время межоперационного хранения кристалла на открытом воздухе перед металлизацией контактной площадки превышает (1,5-2) часа. В этом случае на всей поверхности кристалла образуется естественная пленка диоксида (двуокиси) кремния, диэлектрические свойства которой зависят от химической неоднородности травленой поверхности кремния. Согласно [18, 22] пленка естественного окисла на поверхности кремния обычно составляет величину «(1,5 - 2) нм, а элек-трическая емкость полученной структуры может достигать 10 мкФ-см"".
Указанная емкость, как и в предыдущем случае, является паразитной по отношению к кремниевому ДКМ.
Изображение участка опорного элемента кремниевого ДКМ при возникновении МДП-структуры в процессе формирования электрического контакта показано на рисунке 2.9.
Когда к металлизированной площадке прикладываются напряжения разного знака, на поверхности кремниевой пластины могут возникать три основных режима: аккумуляции, обеднения и инверсии.
Режим аккумуляции характеризуется увеличением числа основных носителей (дырок в кремнии р-типа и электронов кремнии в n-типа) у поверхности полупроводника. Для кремния р-типа он возникает при приложении отрицательного напряжения.
Режим обеднения характеризуется уменьшением основных носителей и возникает при подаче на металлизированную площадку не очень большого положительного напряжения.
Режим инверсии возникает при больших положительных напряжениях и характеризуется тем, что концентрация неосновных носителей у поверхности полупроводника превосходит концентрацию основных носителей.
Рассмотренные режимы в кремнии n-типа реализуются при напряжениях противоположной полярности.
Из [50, 92] известно, что при изменении управляющего потенциала на 1В плотность заряда на поверхности кремниевой пластины, прилегающей к слою идеального диэлектрика, в зависимости от режима может изменяться примерно на 5 порядков (от 10"9 до 10"4 Кл-см"2), а потенциал на той же поверхности может значительно отличаться от управляющего напряжения. Ясно также, что в отсутствии разности работ выхода все приложенные напряжения делятся между полупроводником и диэлектриком, т.е. U = U, + і[/ч, где U, - падение напряжения на диэлектрике, \j/s - поверхностный потенциал.
В процессе проведения исследования выявлен ряд качественно новых признаков, объясняющих механизмы возникновения нестабильности:
1) наличие барьера Шоттки и МДП-структур в приповерхностных областях кремниевой пластины приводит к потерям информационного сигнала на участке от места его электрического подключения до поверхности пластины;
2) уровень потерь зависит от величины и полярности управляющего напряжения и зависимости от него свойств диэлектрика.
3) стабильность характеристик МЭМС-акселерометра является функцией точности передачи управляющего напряжения U на поверхность подвижной кремниевой пластины ДКМ.
Исследование возможности повышения стабильности емкостных МЭМС-датчиков за счет реализации измерительной цепи на основе схем импульсного уравновешивания сил
Несмотря на перспективность применения схем с импульсным уравновешиванием зарядов в ИЦ МЭМС-датчиков, основным недостатком подобной структуры является то, что механическая колебательная система в ней оказывается не охваченной отрицательной обратной связью. В этом случае метрологические характеристики МЭМС-датчиков целиком зависят от стабильности параметров колебательной системы, а динамические характеристики могут регулироваться только изменением степени газового демпфирования, что не только нетехнологично, но и не позволяет реализовать заданные динамические характеристики с высокой точностью.
В связи с этим представляет интерес исследование возможностей нелинейных структур МЭМС-датчиков, которые с одной стороны, должны отличаться улучшенными шумовыми характеристиками, а с другой стороны обладать всеми достоинствами устройства уравновешивающего преобразования.
Если в цепь прямого преобразования следящего статического акселерометра включить устройство с нелинейной характеристикой, то акселерометр из линейной цепи уравновешивания превращается в нелинейную [14].
Основной особенностью линейных систем является возможность установления в них стационарного процесса с постоянными по амплитуде и частоте колебаниями. Такого рода колебания называют автоколебаниями. Известно, что автоколебания в замкнутой цепи уравновешивания имеют несинусоидальную форму, определяемую характеристикой нелинейного элемента. Однако смещение центра колебаний относительно нулевой линии под воздействием измеряемого ускорения позволяет достаточно просто реализовать процесс широтно-импульсного уравновешивания по схеме с импульсным уравновешиванием сил. При этом компенсация входного воздействия, воспринимаемого чувствительным элементом, осуществляется подачей в обратный преобразователь стабилизированных по амплитуде импульсов напряжения, среднее значение которого за некоторый период времени пропорционально измеряемому ускорению.
Для возникновения автоколебаний цепь уравновешивания должна содержать хотя бы один нелинейный элемент, а ее линейная часть должна удовлетворять определенным требованиям. Большинство нелинейностей вводятся в цепи и системы непреднамеренно, они вытекают из физических свойств конкретных элементов и называются сопутствующими (насыщение, зона нечувствительности и т. д.). Однако некоторые нелинейности — их называют структурными - вводятся в систему преднамеренно для предания ей желательных свойств.
Режим автоколебаний в нелинейных системах автоматического регулирования является часто не только допустимым, но даже желательным по условиям работы системы. В ряде случаев он может оказаться полезным с точки зрения увеличения точности системы, если амплитуда автоколебаний может быть сделана меньшей, чем погрешность системы, работающей в режиме затухающих колебаний.
Таким образом, первым этапом исследования МЭМС-акселерометра как нелинейной цепи уравновешивания можно считать разработку его функциональной схемы с учетом того, что место включения нелинейного элемента в структурную схему должно соответствовать действительному месту нахождения его в системе. Под линейной частью системы надо понимать все линейные элементы, расположенные между входом и выходом нелинейной части. Структурная схема акселерометра с нелинейным элементом показана на рисунке 3.5.
Характерной особенностью нелинейных систем является весьма большое разнообразие характеристик нелинейных элементов. Если для линеиных систем можно выделить всего несколько основных типовых элементов, характеризующихся определенной формой зависимости выходного сигнала от входного, то для нелинейных элементов этого сделать нельзя как в силу разнообразия их характеристик, так и в силу отсутствия пропорциональных зависимостей в этих характеристиках. Поэтому при рассмотрении почти каждой нелинейной системы приходится учитывать каждый раз конкретные особенности ее нелинейного элемента.
Предварительное изучение проблемы позволяет выделить в качестве наиболее приемлемого нелинейного элемента - двухпозиционный компаратор с уровнями ограничения выходного сигнала ± В и гистерезисом с шириной петли ± С (см. рисунок 3.6).
Эквивалентная комплексная частотная характеристика (КЧХ) такого элемента имеет вид [64]
Уравнение (3.6) считается достаточно для анализа поведения акселерометра с нелинейным элементом, структурная схема которого показана на рисунке 3.5 [101].
Вопрос об условиях возникновения автоколебаний имеет для нелинейных систем первостепенное значение. Необходимость исследования процесса обусловлена, в первую очередь, получением информации о частоте автоколебаний, как информационном выходном сигнале МЭМС-акселерометра.
Если в замкнутой нелинейной системе, имеющей линейную часть с КЧХ W(jco) и нелинейную часть с эквивалентной амплитудно-фазовой характеристикой J (А), устанавливаются незатухающие гармонические колебания (автоколебания), то условием их существования будет, очевидно, выполнение условия Лт1 sin cot = -W(jсо) J(A ) sin cot или W(jco)J(A) = -\, (3.9) где Am] - амплитуда основной гармоники сигнала на выходе нелинейной части системы.
Приравнивая отдельно вещественную часть уравнения (3.9) минус единице, а мнимую часть - нулю, получаем два уравнения, из которых можно найти две неизвестные величины: круговую частоту соА и амплитуду А автоколебательного режима. Для акселерометра по функциональной схеме рисунка 3.5 без учета элемента w/, находящегося вне цепи что физически означает, что параметры автоколебательного режима определяются точкой пересечения КЧХ W(jco) линейной части системы с обратной эквивалентной КЧХ нелинейной части, взятой со знаком минус, если эти характеристики построить в одинаковых координатах на общей комплексной плоскости. Такой путь решения наиболее удобен и позволяет наглядно судить о зависимости автоколебаний от параметров как линейной, так и нелинейной частей системы.
Решение уравнений (3.11), (3.12) для акселерометра АЛЕ 049 с параметрами со0 = 16490 рад/с; D = 0,7; Кс = 103 В/рад; Ку = 100; /3= 5-Ю-9 Нм/В; г= 10" с; В- 10 В; С= 0 приводит к тому, что соА = 1,52-104 рад/с, а А= 6,2В [77].
Упрощенные уравнения для предварительных оценок параметров круговой частоты соА и амплитуды автоколебаний А имеют вид.
Из них видно, что для уменьшения амплитуды А необходимо увеличивать степень демпфирования D и значение частоты автоколебаний.
Реализация этих решений не представляет технических трудностей.
Запись эквивалентной ПФ нелинейного элемента по формулам (3.6 -3.8) характеризует его как нелинейный преобразователь напряжения. Целью настоящего исследования является реализация ШИМ-преобразования, в связи с чем, необходимо соответствующее представление функции преобразования компаратора.
При симметричной относительно оси координат статической характеристике нелинейного элемента и при отсутствии во входном сигнале нелинейного элемента постоянной составляющей форма автоколебаний симметрична, а длительности положительного Ті и отрицательного Тг импульсов на выходе нелинейного элемента одинаковы.
В общем случае, входящие в данные формулы частота и амплитуда автоколебаний также зависят от U0, и при определении их значений из формул (3.13) в качестве вещественной части эквивалентной комплексной характеристики должно быть взято выражение
Мнимая часть эквивалентной комплексной характеристики от значене ±и V ния U0 не зависит. При « 1 зависимость соА и А от U0 весьма слабо выражена и при выполнении инженерных расчетов ее можно не учитывать.
ПФ МЭМС-акселерометра при наличии структурной схемы, приведенной на рисунке 3.5 и описания коэффициента преобразования нелинейного элемента, представленного в настоящем пункте, определяется стандартными методами и равна
Полученное уравнение представляет собой привычное описание ПФ линейной системы, за исключением того, что выходным сигналом МЭМС-акселерометра является не напряжение, а произведение амплитуды на длительность импульса. Размерности коэффициентов fi и коэффициента преобразования МЭМС-акселерометра равны [Нм/Вс] и [Вс/м] соответственно. При этом собственная частота со0 и коэффициент демпфирования D определяются по формулам [77]:
Фактически МЭМС-акселерометр с импульсным уравновешиванием сил представляет собой интегрирующий акселерометр, шумовые характеристики которого по определению должны быть лучше, чем у акселерометра со статическим уравновешиванием. Спектральная плотность шума на выходе акселерометра определяется по формуле (3.5) с учетом вида КЧХ по формуле (3.15), параметров, приведенных в настоящем пункте, и при ТІ = Т2 = 0,2-10"3 с, р = 8,33-10"6 Нм/Вс, J (А) = 0,42-1(У4 с/В. Таким образом, уравнение (3.5) может быть представлено в виде.
Экспериментальные исследования уровня собственных шумов разработанных МЭМС-акселерометров
Измерения уровня собственных электрических шумов МЭМС-акселерометров проводились с помощью анализатора спектра типа 3560-В фирмы «Брюль и Къер» (АС) с программным обеспечением PULSE LabShop 7700. Схема эксперимента представлена на рисунке 4.12.
Для увеличения достоверности измерения малого выходного шумового напряжения МЭМС-акселерометра Ua был использован усилитель измерительный низкочастотный У4-28 (УИ) с коэффициентом усиления К = 1000. Учитывая, что АС позволяет выполнять измерения шумовых напряжений с уровнем не превышающим 6 В, а смещение нуля исследуемых акселерометров З В, требовалось исключить из измеряемого сигнала постоянную составляющую. В противном случае после усиления уровень измеряемого сигнала превышал верхнее граничное значение измеряемого АС напряжения. Примененный УИ содержит в своем составе полосовые фильтры. Для обеспечения возможности применения АС использовался фильтр с полосой пропускания от 2 Гц до 32 Гц.
АС позволяет выполнять измерения уровня электрических шумов в требуемом диапазоне частот не выходящем за пределы 0-26 кГц. Исследуемые МЭМС-акселерометры имеют частотный диапазон измерений от 0 до 16 Гц. Измерение собственных шумов разработанных акселерометров выполнялось в диапазоне от 0,5 до 16 Гц для исключения оставшейся после прохождения фильтра неинформативной низкочастотной составляющей измеряемого сигнала. Таким образом, уровень усиленного шумового сигнала МЭМС-акселерометра соответствовал диапазону измеряемых значений напряжения АС при котором гарантируется его погрешность измерения.
Кроме этого для увеличения достоверности оценки уровня собственных шумов МЭМС-акселерометра были созданы условия, позволившие уменьшить влияние следующих факторов:
- вибрации (механической, акустической), передаваемой на корпус акселерометра;
- электро-магнитных и кондуктивных наводок.
Фотография рабочего места показана на рисунке 4.13.
Уменьшения влияния вибрационных и акустических шумов на исследуемый МЭМС-акселерометр удалось достичь при использовании короба из пенопласта. Однако значительного уменьшения указанного влияния получить не удалось.
Уменьшение влияния на результат измерений электро-магнитных и кон-дуктивных наводок удалось обеспечить за счет качественного заземления системы МЭМС-акселерометр-УИ-АС, использования экранированных соединительных кабелей и дополнительного экранирования разъемных соединений.
Для повышения достоверности оценки уровня собственных шумов разработанных МЭМС-акселерометров необходимо было исключить из результата измерений шумового напряжения системы МЭМС-акселерометр-УМ-АС значения напряжения собственных шумов АС и УИ. Уровень собственных шумов УИ иуи можно оценить по формуле.
Таким образом, для оценки уровня собственных шумов МЭМС-акселерометров не требуется измерения уровня собственных шумов АС. В этой связи оценка уровня собственных шумов МЭМС-акселерометров выполнялась в соответствии со следующим алгоритмом:
1. Измерение шумового напряжения системы УИ-АС (УСУИ ПРИ замкнутых контактах входного разъема УИ;
2. Измерение шумового напряжения системы МЭМС-акселерометр-УМ-АС иш при отсутствии внешних воздействий на МЭМС-акселерометр;
3. Расчет уровня собственных шумов МЭМС-акселерометров по формуле (4.3).
На рисунках 4.14, 4.15 представлены спектрограммы, полученные при измерениях шумовых напряжений МЭМС-акселерометра АЛЕ 058 в соответствии с описанным алгоритмом.
Оценка уровня собственных шумов акселерометров АЛЕ 049, АЛЕ 056 выполнялась аналогичным образом. Таким образом, уровень собственных шумов разработанных МЭМС-акселерметров и, соответственно, их разрешающая способность улучшены по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами, представленными в таблице 4.3.
Похожие диссертации на Измерительные цепи емкостных МЭМС-датчиков для ракетно-космической техники
