Министерство образования и науки Российской Федерации НИУ Приборостроительный

Министерство образования и науки Российской Федерации (НИУ) Приборостроительный факультет Кафедра «Приборостроение» МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР Автор работы: Исупова Т. Д. , ПС-122 Руководитель: Коваленко В. В.

Техническое задание

Выбор схемы По условиям технического задания выбран микромеханический осевой датчик поверхностного типа с емкостным преобразователем перемещений, реализованный на прямой схеме преобразования. Датчик собирается с помощью технологий i. MEMS, с помощью которых на одном кристалле микроэлектромеханические устройства совмещаются с традиционными электронными элементами интегральных схем. Для проверки функциональности датчика в системе предусмотрена система самотестирования.

Технологии изготовления i. MEMS Процесс получения сенсорной структуры 1 – сенсорная структура (поликристаллический кремний) 2 – «жертвенный слой» (оксид кремния), 3 – подложка (кварц) На специально отведенный участок кристалла наносится диоксид кремния (так называемый «жертвенный» слой), проводится литография, вскрываются «окна» для подсоединения мкромеханического сенсора к электрической схеме и одновременного получения «якорей» , удерживающих конструкцию сенсорной части датчика на кремниевой подложке. Далее сверху наращивается слой поликристаллического кремния, затем посредством литографии и травления поликремния создается сенсорная структура. Наконец, травится «жертвенный» слой, - и механическая часть датчика готова.

Технологии изготовления i. MEMS Процесс получения сенсорной структуры 1 – сенсорная структура (поликристаллический кремний) 2 – «жертвенный слой» (оксид кремния), 3 – подложка (кварц) В результате механическая часть датчика включает поликремниевую пластинку, механически соединенную с подложкой при помощи упругих элементов подвеса, удерживаемых «якорями» , способную перемещаться в направлении одной степени свободы под действием ускорения. По краям пластинки вытравлены балки, закрепленные на подложке и образующие дифференциальную систему большого числа ячеек парных емкостей. Перемещение подвижной пластинки относительно этих неподвижных балок позволяет регистрировать ускорение.

Принцип работы В поверхностных интегральных акселерометрах весь кристалл акселерометра занят, главным образом, схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения, расположенный в его центре.

Принцип работы Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1, 6 мкм от поверхности кристалла кварца, в воздухе, на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне.

Принцип работы Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Её пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости.

Принцип работы С каждого конца эта структура опирается на столбики-анкеры, аналогичные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие её на весу, являются как бы механическими пружинами постоянной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и её возврат в исходное положение.

Принцип работы В отсутствии ускорения емкости в ячейке почти одинаковы, если же ускорение отлично от нуля, пластинка смещается, и баланс емкостей нарушается. Ниже приведена распространенная упрощенная схема детектирования смещения емкостей и обработки данных в ММА:

Принцип работы Кроме того, возможно наличие дополнительных балочных структур, используемых для смещения механики сенсора внешним напряжением – для проверки функциональности датчика или так называемого самотестирования. Самотестирование осуществляется подачей логического уровня на вывод SELF-TEST микросхемы. При этом на подвижную часть датчика действует электростатическая сила, соответствующая приблизительно 20 процентам ускорения полной шкалы. Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально уменьшится. Таким образом проверяется работоспособность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.

Задание основных расчетных данных

Уравнения движения

ЛИСТИНГ MATHCAD: Анализ коэффициента передачи механической части

Расчет емкостного преобразователя Емкостные преобразователи перемещений хорошо сочетаются с конструкцией и технологиями MEMS и находят широкое применение. Работа емкостных преобразователей основана на изменении емкостей между подвижным электродом, располагаемым обычно на подвижном элементе прибора, и неподвижными электродами, размещаемыми на элементах корпуса.

Расчет емкостного преобразователя

ЛИСТИНГ MATHCAD: Исходные данные для расчета

ЛИСТИНГ MATHCAD: Анализ емкостей преобразователя

Расчет емкостного преобразователя

Расчет емкостного преобразователя Кроме силы тяжения в датчиках с подвижными узлами отрицательную роль играет также эффект электростатического «залипания» . Для исключения залипания выполняются охранные заземленные контуры проводимости, выполненные на неподвижных электродах. Расположение охранных контуров должно быть против острых ребер и кромок подвижных электродов – т. е. в местах концентрации силовых линий электрического поля, с целью отвода блуждающих зарядов на «землю» .

Расчет емкостного преобразователя Подвижные электроды обычно получают либо диффузией проводящих областей, отделяемых от кремниевой пластины V-образными канавками, либо металлизацией на боросиликатных стеклах:

Расчет емкостного преобразователя

ЛИСТИНГ MATHCAD: Расчет толщины слоя металлизации

Расчет емкостного преобразователя

Измерительный мост Вернемся к исходной схеме

Измерительный мост Ниже представлена схема измерительного моста и схема его замещения:

Измерительный мост

Измерительный мост Выходное напряжение будет иметь форму, близкую к меандру.

Измерительный мост Напряжение в измерительной диагонали не зависит от частоты генератора.

Передаточная функция емкостного преобразователя

ЛИСТИНГ MATHCAD: Передаточная функция

Передаточная функция емкостного преобразователя

Расчет конструкции подвижного элемента

ЛИСТИНГ MATHCAD: Расчет конструкции датчика

Расчет фильтра низких частот (ФНЧ) для датчика Измерение ускорения осевым микроакселерометром представляет собой последовательность операций преобразования физических величин, которую в предположении отсутствия перекрестных связей в ЧЭ можно изобразить в виде измерительной цепи, содержащей три звена: Звено преобразования механической части датчика На входе звена имеем ускорение, на выходе – смещение. Звено преобразования емкостной части датчика На входе звена имеем смещение, на выходе – изменение напряжения. Фильтр низких частот На входе фильтра – изменение напряжения, на выходе – собственно, выходное напряжение всего датчика.

Расчет фильтра низких частот (ФНЧ) для датчика Измерительные цепи ММА прямого преобразования, как правило, реализуются на дискретно-аналоговых схемах. Их выбор обусловлен необходимостью совместимости с чувствительным элементом по массогабаритным и метрологическим характеристикам.

Расчет фильтра низких частот (ФНЧ) для датчика

Расчет фильтра низких частот (ФНЧ) для датчика Подобные фильтры могут быть реализованы разными схемами. Данная схема построена на операционном усилителе ОУ 2 и носит название «структура Рауха» . С её помощью можно реализовать фильтр с малым значением добротности. Увеличение добротности фильтра повышает его избирательные свойства. При этом сужается диапазон частот, в котором осуществляется переход от полосы пропускания частот к полосе задерживания.

Расчет фильтра низких частот (ФНЧ) для датчика Однако с увеличением добротности повышается колебательность переходного процесса в фильтре при скачкообразном воздействии. Подобная ситуация может возникнуть, например, при измерении ускорения катапультируемого объекта, при резком (ударном) торможении автомобиля и т. д. В таких случаях необходимо использовать фильтр с малой добротностью.

Передаточная функция фильтра

ЛИСТИНГ MATHCAD: Перерасчет передаточных функций

Передаточная функция фильтра

ЛИСТИНГ MATHCAD: Исходные данные для расчета фильтра

Передаточная функция фильтра

ЛИСТИНГ MATHCAD: Фильтр

Передаточная функция ММА

ЛИСТИНГ MATHCAD: Амплитуда пульсации передаточная функция выходного сигнала и общая

Обзор погрешностей: шумы

Обзор погрешностей: нелинейность

Обзор погрешностей: влияние температуры Датчики, изготовленные по технологии MEMS, весьма чувствительны к изменению температуры. С её изменением меняется коэффициент упругости подвески и, следовательно, чувствительность сенсора. Кроме того, имеет место температурное смещение нуля. Для достижения максимальной точности измерений эти изменения необходимо учитывать. Для каждого сенсора зависимость чувствительности и смещения нуля является воспроизводимой, поэтому один из путей решения проблемы – калибровка датчика в необходимом диапазоне температур. Линейное приближение температурной зависимости компенсируется схемотехнически. Более точный учет может потребовать использования микроконтроллера. Другой варинт решения проблемы – встраивание датчика температуры, что заметно упрощает использование подобного подхода.

Обзор погрешностей: влияние температуры

Обзор погрешностей: влияние температуры Идея самокалибровки заключается в том, что при изменении температуры выходной сигнал ускорения и выходной сигнал в зависимости от калибрирующего смещения меняются пропорционально, так как оба они одинаково зависят от коэффициента упругости подвески. Существует режим измерений с непрерывной калибровкой, когда калибровочные импульсы подаются периодически в течение всего процесса измерений. При этом необходимо учитывать уменьшение диапазона измерений на величину размаха калибровочного сигнала (и реальный сигнал, и калибровочный, действуя на один и тот же сенсор, суммируются).

Обзор погрешностей: частотные характеристики

Обзор погрешностей: частотные характеристики Необходим учет изменения чувствительности с частотой. Измерения ускорения редко ведутся во всем частотном диапазоне. Можно выделить низкочастотные приложения (с верхней граничной частотой 10 -100 Гц) и динамические, когда выделяется сигнал в полосе более высоких частот. Специализация датчика по применению позволяет искусственно ограничить полосу рабочих частот, что приводит к существенному снижению суммарного шума. В динамических приложения часто используется ограничение частоты снизу (например RC-цепочкой, где емкость является разделяющей), что устраняет проблему смещения нуля. Диапазон частот настраивается при помощи соответствующего аналогового фильтра (см. раздел по расчету фильтра) или с использованием цифровой фильтрации.

Моделирование датчика (общий вид) Измерительная масса Измерительные ячейки Подложка Корпусная часть (изображена схематически)

Заключение В результате проведенной работы: Изучен принцип работы акселерометра. Получены основные расчетные зависимости. Рассчитаны параметры основных элементов акселерометра – механической части датчика перемещения, емкостного преобразователя и фильтра низких частот, - а также изучена их работа. В среде трехмерного твердотельного моделирование была построена модель механической части акселерометра с соблюдением точных размеров. Приведен обзор погрешностей и вычислены приблизительные значения шумов. По результатам расчетов сконструирована чувствительная и измерительная часть акселерометра осевого микромеханического, соответствующего ТЗ.