Тензоакселерометр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) G 01 P 15/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3522349/24-10 (22) 15.12.82 (46) 07.02.85. Бюл. ¹ 5 (72) Л. Г.Архарова, В.В.Круглов, E.À.Макаров, Б.И.Пивоненков и N.Â.Ëóêàøèí (53) 531.768(088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР № 459664, кл.G 01 L 7/16, 1973.

2.Авторское свидетельство СССР № 504978, кл.G 01 P 15/12, 1974 (прототип). (54)(57) ТЕНЗОАКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус с расположенной в нем консольно. защемленной балкой с инерционной массой на конце, на которой методами планарной технологии выпол,SU„„1138748 A нен кольцеобразный нагреватель, в последнем расположены тензопреобразователь и датчик температуры, о т л и ч,а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, нагреватель и элементы тензопреобразователя выполнены на основе МДП-транзисторов, датчик температуры выполнен в виде инвертора на дополнительных МДП-транзисторах, внутренние и внешние края нагревателя образованы истоком и стоком МДП-транзистора, которые вместе с входами тензопреоб- разователя и с входами датчика температуры подключены к внешнему источнику питания, а затвор МДП-транзистора нагревателя подключен к выходу датчика температуры.

1138748

Изобретение относится к измерительной технике и может бить использовано в датчиках механических величин, например вибрации, давления, линейных ускорений и т.п. 5

Известен тенэоакселерометр, содержащий корпус с расположенной в нем консольно защемленной балкой инерционной массой на конце, на которой методамипланарной технологии выполнены тензопреобразователь и элементы, стабилизирующие его температуру (13, Укаэанный тензоакселерометр обестг печивает при соответствующем подборе 15 компенсационных резисторов компенсацию температурных измерений тензочувствительности. Недостатки его заключаются в применении методов термокомпенсации с использованием пас- 20 сивных навесных резисторов и термисторов, включенных в тензопреобразователь. Эти методы предполагают использование для термокомпенсации гехнологически несовместимых навесныхт элементов,что приводит к существенному усложнению тензопреобразователей (увеличение времени подготовки к работе, увеличению габаритов, веса и потребляемой мощности ). Выполнение акселерометра с компенсацией по этому принципу приводит к резкому уменьшению точности измерения вследствие меньшей точности поддержания стабильности температуры тензопреобразовате-35 ля.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является тензоакселерометр, содержащий корпус с расположенной в нем консольно защем- 40 ленной балкой с инерционной массой на конце,на которой выполнены тенэореаисторы, включенные по мостовой схеме, и нагреватель в виде диффузионного резистора, расположенного вокруг тензорезис-45 торов f 2). .Преимуществом известного тензоакселерометра является то, что в связи с использованием кольцеобраэного нагревателя в виде диффузионно- 50 го резистора повышается точность измерения, так как нагреватель расположен вокруг тензорезисторов и позво." ляет с большей точностью поддерживать стабильность температуры тензопреоб- 55 разователя.

Недостатком известного тенэоакселерометра является то, что нагрева-! тель, выполненный в виде диффузионного резистора, обеспечивает поддержание постоянной температуры путем регулирования напряжения, подаваемого на диффузионный резистор с помощью полевого транзистора,т.е ° требует подключения к нагревателю дополнительного навесного элемента. ИспользоваI ние навесного элемента в виде полевого транзистора приводит, с одной стороны, к усложнению технологии изготовления тензоакселерометра, с другой стороны, увеличивается мощность потребления за счет большей рассеивающей мощности полевоготранзистора, работающего в режиме генератора тока. Это в ряде случаев вносит погрешность в измерения деформации и функционально связанных с ней величин, уменьшая точность измерения.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в тензоакселерометре, содержащем корпус с расположенной в нем консольно защемленной балкой с инерционной массой на конце, на которой метоцами планарной технологии

l выполнен.. кольцеобразный нагреватель, в последнем расположены тензопреобразовагель и датчик температуры, нагреватель и элементы тензопреобразователя выполнены на основе МДП-транзисторов, датчик температуры выполнен в ниде инвертора на дополнительных МДП-транзисторах, внутренние и внешние края нагревателя образованы истоком и стоком МДП-транзистора, которые вместе с входами тенэопреобразователя и с входами датчика температуры подключены к внешнему источнику питания, а затвор МДП-транзистора нагревателя подключен к выходу датчика температуры.

На фиг.1 представлена конструктив-! ная схема тензоакселерометра; на фиг.2 — балка тензоакселерометра с областью расположения на ней тензопреобразователя, датчика температуры и нагревателя; на фиг.З вЂ” структурная схема термостабилнзации температуры; на фиг.4 — принципиальная. электрическая схема.

Тензоакселерометр содержит корпус .1 с расположенной в нем консолью, защемленной в основании 2.кремниевой балкой 3 с инерционной массой 4 на

1138?48 конце. На балке 3 в зоне 5 деформации расположены кольцеобразный нагреватель 6, тензопреобразователь ? и датчик 8 температуры.

Принципиальная электрическая схема 5 тензоакселерометра (фиг.4) содержит тензопреобразователь, выполненный на основе тензочувствительных МДПтранзисторов 9-12, соединенных по .мостовой схеме, датчика температуры в виде инвертора на дополняющих

МДП-транзисторах 13 и 14 и нагревателя на основе МДП-транзистора 15. По1 следний электрически связан истоком . и стоком с входами тензопреобразовате- 15 ля и с входами датчика температуры,. а затвор связан с выходом датчика температуры.

Устройство работает следующим образом. 20

По действием деформации малые изменения токов стока МДП-транзисто1 ров вызывают большие изменения напряжения на выходе из-за большого выходного сопротивления МДП-транзис- 25 торов 9-12. Изменения напряжения на стоке регистрируется измерительными приборами на выходе. Параметры

МДП-транзистора существенно зависят от температуры окружающей среды, . О что приводит к погрешностям измерения, вызванным влиянием температурных колебаний, кроме того, температурные зависимости параметров МДПтранзисторов вышее,чем у диффузионных элементов, поэтому целесообразно использовать термостабилизацию как один из самых эффективных способов устранения температурных погрешностей, а не термокомпенсацию. При ста- 40 билизации. температуры балки 3 температурный дрейф и температурная зави— симость тензочувствительности будут отсутствовать или существенно уменьшаться. Поэтому для постоянства зависимости изменения напряжения на выходе тензопреобразователя, состоящего из ИДП-транзисторов 9-12, под . деиствием деформации при изменении температуры окружающей среды на одном д кристалле с тензопреобразователем выполнены методами планарной технологии дополнительные стабилизирующие элементы: кольцеобразный нагреватель в виде МДП-транзистора 15, датчик температуры в виде инвертора на

ИДП-транзисторах 13 и 14. Для уменьшения температурных погрешностей тензопреобразователя, ввиду сложного характера температурных зависимостей используют систему термостабилизации разогревом (микростатирование при 60 С). Зависимость мощности, выделяемой в ИДЯ-транзисторе 15 (нагревателе) при 60 С, от изменения температуры окружающей среды в пределах «+60 С измерялась по величине

ЭДС термопары, а температура кристалла фиксировалась по прямому падению напряжения.на датчике температуры.

После замыкания петли термостабилизации путем соединения выхода инвертора датчика температуры с затвором разогревающего МДП-транзистора схема термостабилизации начинает отрабатывать сигнал .рассогласования пока температура кристалла не становится равной заданной (+60 С).Время отрабатывания системы 1,5 с и оценивается при помощи осциллографа. Кроме того, в случае использования в качестве термостабилизирующего элемента ИДП-транзистора не требуется дополнительного источника питания, так как МДП-транзистор (нагреватель) истоком и стоком связан с входами тензопреобразователя, а на затвор транзистора может быть подано напряжение непосредственно с выхода датчика температуры и тем самым осуществляется регулирование температуры чувствительного элемента без введения дополнительных усилительно-преобразующих схем, для управления требуется очень малая мощность, так как сопротивление затвор †ист, затвор-сток очень высоки и управляющий ток мал, значительно упрощается технология изготовления чувствительного элемента, а следовательно, упрощается конструкция тензоакселерометров в целом, резко снижается время их подготовки к работе.

Испытания лабораторных образцов тензоакселерометров показали, что такие тензоакселерометры обспечивают выходной сигнал на уровне 1 В при деформации 2.10 и температурный коэффициент чувствительности составляет величину,не превышающую 0,01X Cs (У йзвестного тензоакселерометра выходной сигнал.на уровне 100 мВ при тех же уровнях деформации и температурный коэффициент О,IX С ").В диапазоне измерения температуры окружаю-. щей среды на 120 С температура крис11ЗВМВ талла изменялась не более чем на

12 С. Точность поддержания температуо ры можно увеличить путем увеличения теплосопротивления. При Е =24 В от,— Ит ношение выходного сигнала к темпера- . 5 турному изменению начального разбаланса равно 4,2 без термостабилизации и 170 с термостабилизацией при Я=

1,3 10,т.е. выходной сигнал при поддержании температуры кристалла . постоянной не зависит от температуры окружающей среды, отсутствует дрейф, нулевого уровня (у известных акселерометров подобного типа без термостабилиэации дрейф нулевого уровня по- 15 рядка 100-400 мВ),,т.е отношение полезного выходного сигнала к начальному разбалансу повышается, что привсщит к повышению точности измерения.

Использование предлагаемого тензоакселерометра по сравнению с извест ным аксерометром — низкочастотным полупроводниковым AH3 — 205 позволит обеспечить возможность создания тензоакселерометров с большим выходным сигналом, и высокой чувствительностью (по предварительным испытаниям у лабораторных образцов выходной сигнал и чувствительность в 5 раз выше ), благодаря высокой чувствительности тензоакселерометр обеспечит измерение деформации порядка 10 ; повысить точность измерения вследствие исполь зования для термостабилиэации кольцеобраэного нагревателя на основе ИДПтранзистора на 10%; снизить потребляемую мощность вследствие отсуствия бесполезного рассеивания мощности на нагревателе; возможность использования групповых методов стандартной ,планарной технологии МДП-интегральных схем; значительно уменьшить габариты, вес и объем тензоакселерометра; уменьшить время подготовки тензоакселерометра к работе.

1138748

1 !

I !

I

+ тат

digaci

Составитель Н.Мараховская

Техред С.Мигунова Корректор О.Тигор

Редактор С.Патрушева

Филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4

Заказ 10681/35 Тираж 897 Подписное

ВНЮ1ПИ Государственного комитета СССР по.делам изобретений и открытий

113035;Москва,Ж-35,Раушская наб.,д.4/5