Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние микросистемных акселерометров 11
1.1. Обзор и анализ микросистемных чувствительных элементов датчиков ускорений 11
1.2. Особенности построения интегральных маятниковых подвесов из кремния 27
1.3. Особенности газодинамического демпфирования микромеханических маятников акселерометров 31
1.4. Особенности построения математических моделей маятниковых чувствительных элементов 35
Выводы 37
Глава 2. Разработка математической модели микросистемного акселерометра 38
2.1. Оценка числа степеней свободы маятника микросистемного акселерометра 39
2.2. Исследование характеристик чувствительного элемента микросистемного акселерометра 43
2.3. Математическое описание чувствительного элемента как динамической системы 53
2.4. Разработка электрической схемы микросистемного акселерометра 57
2.5. Разработка структурной схемы и полной передаточной функция микросистемного акселерометра 68
Выводы 72
Глава 3. Оценка погрешностей микросистемного акселерометра и выбор путей для их снижения ... 74
3.1. Расчет погрешности статической характеристики интегрального маятника 76
3.2. Выбор оптимального соотношения между размерами отдельных элементов акселерометра и их температурными коэффициентами 78
3.3. Определение добротности интегральных чувствительных элементов 82
3.4. Соотношение жесткостей "электрической пружины" и механического подвеса 85
3.5 Разработка противоударного демпфера для микросистемных акселерометров 87
3.6. Расчет погрешности микросистемного акселерометра от поперечных составляющих ускорений 89
3.7. Оценка величины пульсаций в выходном сигнале акселерометра 90
3.8. Оценка продольной устойчивости упругих подвесов интегральных маятников акселерометров 91
3.9. Оптимизация газодинамического демпфирования подвижного узла 95
Выводы 98
Глава 4. Экспериментальные исследования микросистемных акселерометров 99
4.1. Описание объекта экспериментальных исследований 100
4.2. Описание испытательных установок для экспериментальных исследований микросистемных акселерометров 102
4.3. Методика определения погрешностей статической характеристики интегрального акселерометра по экспериментальным данным 103
4.4. Экспериментальные исследования жесткости упругих подвесов 110
5. Температурные испытания микросистемных акселерометров 114
6. Экспериментальные исследования динамических характеристик микросистемных акселерометров 119
Выводы 125
Заключение 127
Перечень принятых обозначений 128
Литература 131
- Особенности газодинамического демпфирования микромеханических маятников акселерометров
- Исследование характеристик чувствительного элемента микросистемного акселерометра
- Выбор оптимального соотношения между размерами отдельных элементов акселерометра и их температурными коэффициентами
- Методика определения погрешностей статической характеристики интегрального акселерометра по экспериментальным данным
Введение к работе
Последнее десятилетие 20-го века в приборостроении ознаменовалось появлением нового направления микроэлектромеханических систем (МЭМС), объединивших несколько технических областей: от микроинструмента до микросамолетов. Главным в этом направлении является применение микроэлектронной технологии, адаптированной на производство сложных интегрированных устройств и систем. Достойное место в МЭМС заняли интегральные датчики первичной информации. Собственно под интегральным датчиком понимается законченный прибор для измерения той или иной физической величины, включающий в свой состав микромеханический чувствительный элемент и электронный преобразователь механических воздействий в стандартный электрический сигнал.
Стимулирующим фактором развития интегральных датчиков служит нарастающая потребность в информации в различных управляемых технических системах. Основу МЭМС составляет концепция от "датчика к системе", формулировка сущности которой может быть представлена в виде следующих направлений:
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, включающими в себя многофакторность измерений, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования, адаптацию к оптимальным условиям, выполнением 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.
Проведенные исследования показали, что параметры акселерометра нельзя повысить с помощью традиционных подходов. Тем не менее, повысить точность измерения интегральных акселерометров более чем на порядок при незначительном усложнении электронной схемы возможно введением в цепь отрицательной обратной связи электростатического силового преобразователя.
Актуальность работы. Характерной чертой мирового развития информационных технологий конца XX и начала XXI 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 нанотехно-логии." 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:
Исследование структуры нового микросистемного акселерометра и его составляющих механических и электрических узлов с использованием полупроводниковых материалов и микромашинной технологии.
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.
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.
Сравнение экспериментальных и теоретических результатов диссертации.
Объект исследования. Объектом исследования являются следующие устройства:
Кремниевые маятниковые чувствительные элементы.
Емкостные преобразователи перемещений в электрический сигнал.
Устройства для испытаний линейных акселерометров.
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. Исслед ована структура и разработан новый чувствительный элемент
(патент РФ № 2231795) имеющий в два раза меньшую погрешность измере
ния, чем аналоги и разработана математическая модель нового микросистем
ного акселерометра с уточнением влияния характеристик составляющих эле
ментов, в результате чего расчетные данные совпали с экспериментальными.
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..
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 инте-
гральных датчиков ускорений и явились основой разработки схем и конструкций, защищенных патентами РФ.
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 ATI 105 и ATI 112 на диапазоны от 0,5 g до 50 g.
Разработанные методики определения статических характеристик интегральных датчиков ускорений и их погрешностей с помощью испытательного оборудования позволяют получить основные метрологические параметры приборов.
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. Сведения о внедрении результатов диссертационной работы приведены в приложении 4.
Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и совещаниях:
На региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", Н. Новгород, 1997, 1998,2002, 2003 г.
На Всероссийских научных конференциях «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». 2002, 2003, 2004 г.
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 со-
держит 153 страницы машинописного текста: иллюстраций - 39 (рисунки, схемы, графики), таблиц -15, список литературы - 83 наименований.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ
Структурная схемотехника и математическая модель нового маятникового чувствительного элемента имеющего компенсацию от влияния температурных напряжений.
Оригинальный микросистемный емкостный преобразователь перемещений с тестированием акселерометра, меньших габаритов при той же стоимости.
Математическая модель микросистемного акселерометра, позволяющая оценить его параметры еще на стадиях НИР и ОКР.
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.
Структурные схемы установок для экспериментальных исследований статических и динамических характеристик микросистемных акселерометров и результаты экспериментальных исследований.
Соотношения для теоретических расчетов: жесткостей упругих подвесов, абсолютных коэффициентов газодинамического демпфирования, упругих подвесов на продольную устойчивость и элементов электрической схемы.
Особенности газодинамического демпфирования микромеханических маятников акселерометров
Из обзора публикаций по микросистемным акселерометрам следует, что потребность и сфера их применения расширяются, а требования к их характеристикам усиливаются, например, известные конструктивные решения микросистемных акселерометров и их микромеханических и электронных узлов не удовлетворяют современным техническим требованиям по точности и интегральным методам изготовления. Поэтому совершенствование микросистемных акселерометров является актуальной задачей настоящей диссертации.
Исследования показали, что на данном этапе развития микросистемных акселерометров требуется постоянное уточнение математических моделей, связывающих характеристики микромеханических чувствительных элементов и электрических схем обработки.
Рассмотрены вопросы повышения точности микросистемных акселерометров за счет оптимизации между конструктивными параметрами и физическими характеристиками материалов, применяемых в разработках, к о-торые в известных публикациях слабо освещены, что значительно сдерживает их совершенствование.
Создание современного акселерометра с использованием микроэлектронной технологии возможно только при наличии адекватной математической модели. В соответствии с принятой линейной моделью микросистемного акселерометра его математическое описание в данной работе выполнено с применением метода передаточных функций. Для построения полной передаточной функции акселерометра необходимо определить передаточные функции его отдельных звеньев как микромеханических, так и микроэлектронных. Важнейшим в акселерометре является микромеханический подвижный узел (ПУ). При переходе от физической модели объекта к математической руководствуются следующим наиболее общим подходом: математическая модель должна быть наименее сложной при минимальных отступлениях от реальных свойств объекта. Поэтому для получения передаточной функции ПУ, выполненного в виде маятника, необходимо найти разумное ограничение числа степеней свободы маятника (каждая степень свободы дает два порядка оператора в передаточной функции). Для этого необходимо провести анализ свойств упругих подвесов путем оценки величины осевых и угловых жесткостей подвесов по различным направлениям. Естественным допущением является следующее: в направлениях, соответствующих жесткости, стремящейся к бесконечности ( 105 Н-м), движением маятника можно пренебречь.
В то же время маятник микросистемного акселерометра выполняет не только роль звена, воспринимающего ускорения, но является одновременно подвижным электродом емкостного преобразователя перемещений, выпол-няемым из проводящего кремния. Важным требованием к нему является обеспечение нечувствительности маятника к неинформационным воздействиям, таким как температурные деформации, передаваемые от корпуса. В этой главе в разработке чувствительного элемента представлено техническое решение на уровне изобретения, позволяющее снизить влияние температурных воздействий.
Выявление перемещений маятника, пропорциональных действующему ускорению, осуществляется емкостным преобразователем, встраиваемым в корпус акселерометра. В результате анализа известных схем выявлена их недостаточная точность и невозможность применения в микросистемных акселерометрах. Поэтому возникла необходимость разработки специализированного емкостного преобразователя. Результатом такой разработки явилось изобретение [30], удовлетворяющее большинству требований.
Взаимодействие между микромеханической и микроэлектронной частями акселерометра осуществляется в соответствии со структурной схемой, которая отражает связи между отдельными звеньями структуры и соответствует дифференциальному уравнению, полностью описывающему микросистемный акселерометр как динамическую систему. В свою очередь структурная схема при известных передаточных функциях отдельных звеньев позволяет определить полную передаточную функцию, необходимую для расчета и оптимизации всех характеристик микросистемного акселерометра, что и является предметом рассмотрения второй главы данной работы.
В микросистемных акселерометрах одной из существенных динамических погрешностей является погрешность, обусловленная неточным определением порядка передаточной функции механической части, который полностью определяется числом степеней свободы маятника. Связано это с тем, что в неудачных конструкциях чувствительных элементов (ЧЭ) жесткость упругих подвесов маятника при действии ускорений по оси чувствительности является соизмеримой с жесткостями тех же подвесов в перекрестных направлениях. Перемещение маятника под действием ускорений в перекре-стных направлениях вносит в измерения ошибку. Оценить величину погрешности под действием перекрестных ускорений можно по соотношению жесткостей
Пусть плоскость ориентации пластины заготовки, в которой выполнен ЧЭ, находится в кристаллографическом направлении 100 с модулем упругости равным [ioo] = 1,391-Ю11 Н/м . Подвес с криволинейными обводами по ширине и толщине при сп « Ьп обладает малой изгибной жесткостью в направлении оси чувствительности, например, у (рис. 2.1) и большой изгибной жесткостью относительно поперечной оси х. Линейные перемещения по оси Z и угловые перемещения относительно оси х совпадают с направлением оси чувствительности и отрабатываются ЧЭ, т.е. ошибки не вносят.
Исследование характеристик чувствительного элемента микросистемного акселерометра
Численные расчеты при размерах, используемых на макетах и готовых изделиях, показывают, что отношение жесткостей в поперечном направлении и направлении оси чувствительности отличаются более чем на пять порядков. Следовательно, погрешностью от рассмотренных поперечных составляющих можно пренебречь. Кроме того, размер площади неподвижных электродов выполнен несколько больше площади подвижного электрода, что также способствует снижению погрешности от действия поперечных составляющих ускорений.
Из анализа таблицы 2.1 следует, что угловое движение маятника относительно оси х и линейные относительно осей у и z отсутствуют, так как соответствующие жесткости являются бесконечно большими. Осевые жесткости подвеса вдоль положительного и отрицательного направления оси у неодинаковы. 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 ши- рине и толщине сжатию подвергается короткий участок в минимальном сечении подвеса и 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 z и линейное перемещение вдоль оси X.
Из рассмотренных соотношений можно сделать вывод, что при коротких подвесах осевая жесткость представляет большую величину, соответственно линейная составляющая вносит весьма малый вклад в полное перемещение центра тяжести маятника. Учитывая также, что для криволинейных подвесов с минимальным сечением по толщине и ширине эффективная длина подвеса стремится к нулю, то в этом случае маятник на низких частотах имеет превалирующее значение угловой составляющей перемещения, а большая осевая жесткость проявит себя на высоких частотах вне рабочей полосы пропускания. Таким образом является очевидным, что пренебречь долей, вносимой в динамику маятника осевой составляющей нельзя. Следовательно, микромеханический подвижный узел имеет две степени свободы, а его передаточная функция будет иметь четвертый порядок. Естественно все сказанное выше относится к подвесам, не имеющим дефектов, например, при двух подвесах они должны быть идентичными. В противном случае появляются дополнительные степени свободы относительно перекрестных осей.
При исследовании и разработке чувствительного элемента из монокремния для построения микросистемного акселерометра примем следующие допущения и ограничения: 1 - упругий подвес имеет криволинейные боковые обводы с минимальной площадью поперечного сечения в средней части; 2-е целью снижения влияния контактных напряжений на состояние упругих подвесов расстояние от точки закрепления несущей рамки с неподвижной частью до упругих подвесов, в соответствии с гипотезой Буссенеска [64], должно быть максимально возможным; 3 - зазор между подвижной и неподвижной частями ЧЭ при изменении температуры должен оставаться постоянным; 4 - с целью снижения влияния ударов на точность интегрального акселерометра упругие подвесы, при минимальной жесткости, должны обладать продольной устойчивостью. Первое допущение легко реализуется посредством известной технологии анизотропного травления монокремния с использованием компенсаторов на фотошаблонах [40]. Конструкция криволинейных подвесов (рис. 2.2) позволяет локализовать ось качания маятника относительно минимального сечения. Кроме того, в местах плавных переходов криволинейных подвесов к несущей рамке или к маятнику температурных напряжений не возникает, поскольку кривизна в данном случае дополнительно выполняет функции галтелей. Минимальная площадь поперечного сечения подвеса имеет место в сечении В-В. Совершенно очевидно, что сечение В-В можно считать осью качания маятника. В работе [34] принято, что подвижная часть имеет только угловые перемещения относительно оси качания и соответственно установлена передаточная функция второго порядка. Тем не менее, экспериментально установлено, что при больших усилиях, прикладываемых к маятнику, он может при малых зазорах между неподвижными крышками и маятником перемещаться плоскопараллельно вплоть до полного соприкосновения с плоскостью неподвижной крышки. Этот факт говорит о том, что маятник имеет две степени свободы, и предположительно его передаточная функция должна иметь порядок не ниже четвертого. Исключение составляют короткие подвесы с криволинейными боковыми обводами, у которых эффективная длина подвеса, дающая линейную составляющую, близка нулю. Тем не менее, для общности результатов в качестве одного из допущений при разработке математической модели ЧЭ примем, что маятник микросистемного акселерометра 4 имеет две степени свободы. Для окончательного утверждения справедливости этого допущения в данной работе проведены экспериментальные исследования АЧХ, по которым сделаны соответствующие выводы в пользу свойств коротких подвесов. Двунаправленными стрелками на рис. 2.2 показаны возможные перемещения подвижной части относительно неподвижной. Перечеркнутой двунаправленной стрелкой показано отсутствие перемещения подвижной части относительно неподвижной. Второе допущение можно пояснить аналитической зависимостью, имеющей место для интегральных ЧЭ и представляющей относительную величину контактных напряжений, возникающих от любых силовых воздействий в местах соединений, в функции от физических и конструктивных параметров [34]: где р - давление на контакт; у0 - толщина опорного элемента; v - коэффициент Пуассона; S - площадь контакта; L - расстояние от точки приложения сосредоточенной силы до заданного сечения. Из формулы (2.1) видно, что с уменьшением размеров площадки соединения и с увеличением расстояния до упругих подвесов маятника влияние контактных напряжений снижается. Тем не менее, выполнение только одного соотношения (2.1) не может обеспечить заданной точности. Не менее важным является обеспечение независимости начального зазора между подвижным и неподвижными электродами от температурных изменений. Третье допущение, используемое при разработке ЧЭ микросистемного акселерометра, представляет собой известное соотношение между размерами маятника и температурными коэффициентами, приводящее, при его реализации, к минимальным температурным погрешностям [25].
Выбор оптимального соотношения между размерами отдельных элементов акселерометра и их температурными коэффициентами
Интегральный маятник с внутренним креплением несущей рамки [22] (рис. 2.3, Ь) - это подвижная масса в виде тонкой прямоугольной пластины 3, подвешенная посредством консоли 6 с неподвижной центральной опорой 5. Для обеспечения зазора между маятником и неподвижными крышками маятник стравливается по плоскостям с обеих сторон на величину h. В свою очередь, зазор необходим для обеспечения газодинамического демпфирования и для реализации электростатического датчика момента в виде плоского конденсатора. Для успокоения колебаний маятника применено вязкостное демпфирование на основе заполнения ЧЭ сухим азотом. На маятнике имеются сквозные прорези 4, позволяющие подогнать коэффициент демпфирования к оптимальному значению. С целью ограничения перемещений маятника с обеих сторон его имеются выступы, выполняющие роль арретиров. Неподвижные обкладки для маятника могут быть двух типов: из боросили-катного стекла и кремниевые. Стеклянные обкладки имеют не сколько положительных свойств, каких нет у кремниевых, например, имеется простая технология сварки их с кремниевым маятником, а также отсутствуют потери в случае применения емкостного преобразователя перемещений, поскольку стекло не является проводником. Однако главный недостаток стеклянных обкладок состоит в том, что неподвижные электроды получают посредством металлизации, например, алюминием.
В трехслойной конструкции стекло-аллюминий-кремний рабочие зазоры ЧЭ изменяются в зависимости от вариации температуры, соответственно изменяются коэффициенты передачи преобразователя перемещений и силового электростатического преобразователя. Этого недостатка лишены кремниевые обкладки с диффундированными электродами.
Соединение кремниевых пластин возможно посредством напыления тонкого алюминиевого слоя (1-1,8 мкм) на кремниевую пластину, полированную с двух сторон до 12-13 класса [59, 64, 67]. Слой нужной конфигурации, которого наносится на одну из пластин. Сжатые пластины с усилием порядка 8 МПа нагреваются до температуры в диапазоне 500-600 С. Соединение осуществляют посредством расплавления между пластинами выступающих площадок из алюминия, температура плавления которых ниже температуры плавления монокремния. С целью снижения электрических потерь от диффундированных электродов 4 в обкладке выполняют v-образные канавки 2, повышающие сопротивление переходов. Недостатком этого способа является то, что зазор между соединенными пластинами зависит от температурного коэффициента линейных расширений алюминия.
В соответствии с формулой (2.1) в разработанном ЧЭ снижение влияния контактных напряжений на положение маятника достигнуто тремя путями: во-первых, несущая рамка соединена с неподвижной пластиной с помощью внутренней опоры, имеющей значительно меньшую площадь контакта в сравнении с внешней заделкой; во-вторых, сама несущая рамка подвешена на жесткой консоли, второй конец которой соединен с внутренней опорой, а маятник на свободно подвешенной несущей рамке. В-третьих, расстояние меж-ду внутренней опорой и упругими подвесами увеличено за счет того, что тело несущей рамки выполнено в форме меандра.
В таблице 2.2 имеют место следующие обозначения: дм, Ьш см - соответственно длина, ширина и толщина маятника; an, bn, сп - длина, ширина и толщина упругого подвеса; X = bnmia/bnmM - отношение минимальной ширины подвеса к максимальной; а\ - длина сквозной прорези для подгонки коэффициента газодинамического демпфирования; 8 - ширина сквозной прорези для подгонки коэффициента газодинамического демпфирования. В качестве демпфирующего газа в обоих вариантах ЧЭ использован сухой азот с динамической вязкостью р. = 1,82-10" Па-с. Прорези в подвижном узле для подгонки коэффициента демпфирования могут отсутствовать, в этом случае размеры неподвижных обкладок, например, за счет уменьшения их высоты, выполняют меньше размеров подвижного узла. Соотношение между линейным и угловым перемещениями маятника зависит от конструкции подвеса и частоты колебаний маятника. Совершено, очевидно, что при коротком подвесе и четко выраженной его шейке, превалировать будут угловые перемещения, с осью качания в минимальном сечении. Тем не менее, линейные перемещения будут иметь место, и их величина может быть оценена осевой жесткостью. При дефектах упругих подвесов результаты, приведенные в таблице 2.2, не имеют места и соответственно порядки, получаемые для передаточных функций, будут иными. С целью уточнения известной математической модели интегрального маятника (1.19) рассмотрим движение его центра тяжести относительно деформируемой части упругого подвеса, позволяющего осуществлять маятнику только линейные перемещения вдоль оси х и угловые, относительно оси качания (рис. 2.5). Случай такого движения примем как обобщенный, от которого можно легко перейти к частным случаям. Получить частные случаи движений: только углового или только линейного возможно из общего результата, принимая в параметрах передаточной функции тот или иной размер в соответствии со свойствами конструкции.
Методика определения погрешностей статической характеристики интегрального акселерометра по экспериментальным данным
В этой главе проведен расчет и анализ погрешности статической характеристики интегрального маятника, который показал, что для обеспечения линейности статической характеристики эффективную длину упругих подвесов необходимо выполнять не более 10 микрометров.
Рассмотрен и выполнен выбор оптимального соотношения между размерами отдельных элементов акселерометра и их температурными коэффициентами с целью стабилизации зазора между подвижным и неподвижным электродами чувствительного элемента.
При проектировании интегральных чувствительных элементов возникает необходимость в определении их добротности, характеризующей влияние на динамические свойства как примененного материала, так и конструкции, что имеет практический выход с точки зрения обеспечения демпфирования подвижного узла.
Соотношение жесткостей "электрической пружины" и механического подвеса рассмотрено с целью сравнения акселерометра прямого измерения с компенсационным, у которого в качестве силового датчика применен электростатический датчик. Теоретическое сравнение показало, что с точки зрения достижения возможной точности они эквивалентны. Поэтому принято решение дальнейшую разработку проводить для акселерометра прямого измерения.
В условиях эксплуатации и транспортировки на объект действуют ударные нагрузки. Для обеспечения живучести микросистемного акселеро-метра возникла необходимость разработки противоударного демпфера. В этой главе показаны принципиальное и конструктивное решение построения противоударного демпфера. Приведены также теоретические зависимости для расчета его характеристик. Действие ускорений на маятник чувствительного элемента является случайным процессом, причем величины ускорений по неинформационным осям соизмеримы с информационными. В этой главе показано, что погрешности микросистемного акселерометра от поперечных составляющих ускорений можно свести к пренебрежимо малой величине, выполнив отношение жесткостей в поперечном направлении и направлении оси чувствительности, не менее чем пять порядков.
Оценка величины пульсаций в выходном сигнале акселерометра от проникновения переменного напряжения питания емкостного моста осуществлялась с целью выработки мер по уменьшению наведенной помехи. Сглаживание до допустимого значения напряжения пульсаций в выходном сигнале осуществляется фильтром нижних частот, совмещенным с синхронным детектором и с аналоговой запоминающей ячейкой.
Оценка продольной устойчивости упругих подвесов интегральных маятников необходима по той причине, что вдоль оси подвеса могут действовать случайные ускорения большой величины, и стремление обеспечить малую жесткость подвесу может привести к потере им устойчивости при действии продольных ускорений. При этом акселерометр теряет работоспособность. В этой главе приведены новые теоретические зависимости, позволившие численно оценить продольную устойчивость подвесов на стадии проектирования.
Демпфирование подвижного узла в разработанном микросистемном акселерометре является вязкостным. Полость чувствительного элемента заполняется при сборке сухим азотом. При движениях маятника азот перекачивается по узким зазорам. В результате этого возникает сопротивление трения, пропорциональное скорости перемещения маятника. Оптимизация газодинамического демпфирования подвижного узла осуществлена посредством выбора площади неподвижной обкладки таким образом, чтобы относительный коэффициент демпфирования был близок к значению л/2/2. При изменении температуры зазор, представляющий собой разность размеров толщин корпусной пластины и выполненного в ней маятника, изменяется. Изменения же толщины слоя металлизации происходят в соответствии с особенностями конструкции, встречно изменениям зазора. Если потребовать равенства приращений зазора и толщины слоя металлизации с учетом температурного коэффициента стабилитрона, то толщину слоя металлизации следует рассчитать по выражению
Требуя минимальной погрешности микросистемного акселерометра, приравняем нулю левую часть выражения (3.7). Реализовать это можно несколькими способами: 1 - выбором соответствующих значений температурных коэффициентов; 2 - выбором толщины слоя металлизации; 3 - одновременным применением первого и второго способов. Далее найдем соотношение между величинами, влияющими на погрешность, и их температурными коэффициентами:
Соотношение (3.8) показывает, какой толщины необходимо выполнить слой металлизации, для того чтобы зазор между подвижным и неподвижным электродами был независим от изменения температуры. Температурные коэффициенты, входящие в соотношение (3.8), характеризуют свойства примененного материала, и управлять их величиной в конструкции акселерометра затруднительно (например, температурным коэффициентом модуля упругости кремния а или температурными коэффициентами линейных расширений кремния акр и слоя металлизации ссм, так как необходимо вмешиваться в их химический состав). Управлять выбором величины температурного коэффициента напряжения стабилизации ос , опорного источника питания значительно проще, так как его изменение возможно выбором смещения с помощью резистивного делителя [34, 35, 56].
