Импульсный микросистемный акселерометр

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в интегральных акселерометрах с импульсной силовой компенсацией. Выполнение несимметричным чувствительного элемента с малой рабочей массой (разбалансом массы маятника относительно оси качания) и с большой площадью силовых электродов позволило устранить пробои газового промежутка между подвижным и неподвижным электродами посредством снижения напряжения в импульсе до допустимого значения. Заземление силовых электродов в нерабочих тактах привело к устранению шумов от влияния остаточных зарядов на электродах, а следовательно, к повышению точности. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах с силовой электростатической компенсацией.

Известен баллистический акселерометр [1] и датчик момента. Недостатком его является сложность изготовления, поскольку датчик момента требует применения сердечника из магнитомягкой стали. Кроме того, устройство имеет большие массогабаритные размеры, в основном на порядок превышающие размеры интегральных акселерометров

Известен также интегральный чувствительный элемент импульсного акселерометра [2], содержащий чувствительный к ускорениям маятник, выполненный в кремниевой пластине и соединенный с ней упругими подвесами, и электростатическую систему силовой отработки. Устройство является неточным, поскольку в нем имеет место дрейф выходного сигнала, возникающий от массопереноса между электродами при питании постоянным током от источников опорных напряжений.

Наиболее близким к заявляемому устройству является импульсный микроакселерометр [3], содержащий подвижный узел, выполненный в виде электрода-маятника в пластине из кристаллического кремния и соединен с пластиной упругими подвесами, с обеих сторон кремниевой пластины жестко приварены обкладки, на которых нанесены неподвижные проводящие электроды двух типов: электроды датчика перемещений и силовые электроды электростатического датчика момента, триггер защелку, регистр сдвига, реверсивный счетчик, генератор стабильной частоты и первое ключевое устройство, электроды датчика перемещений включены на вход знакового устройства, три выхода которого соединены с электрической схемой акселерометра, первый выход соединен со входом синхронизации счетного триггера, а также со входом установки нуля регистра сдвига и несет информацию о нахождении маятника в нейтральном положении, второй выход знакового устройства несет информацию о положении маятника слева относительно нейтрального положения и соединен со входом установки в нуль триггера защелки, со входом установки в единицу триггера защелки соединен третий выход знакового устройства, несущий информацию о положении маятника справа относительно нейтрального положения, ко входу приема информации регистра сдвига подключен выход делителя частоты, выходы триггера защелки соединены со входами управления режимами реверсивного счетчика и одновременно со входами управления первым ключевым устройством, выходы ключевого устройства подключены к источнику опорного напряжения.

Известный акселерометр имеет следующие недостатки: 1 - имеет место электрический пробой газового промежутка между подвижным и неподвижными силовыми электродами, поскольку для отработки ускорений более 1 g при зазоре 15·10^-6 м требуется напряжение порядка 30 В. Для среды азота критическая пробойная напряженность равна Е_кр=5000 В/м. Это значительно меньше необходимой величины для силовой отработки. В реальных конструкциях подвижный маятник, изолированный окислом кремния, пробивается электрическим полем и приваривается к неподвижному электроду. Соответственно акселерометр становится неработоспособным;

2 - в известной схеме акселерометра на такте свободного движения маятника на неподвижных силовых электродах нет обнуления остаточных потенциалов, что приводит к шумам в информационном сигнале.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение отмеченных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что в импульсный микросистемный акселерометр, содержащий подвижный узел, выполненный в виде электрода-маятника в пластине из кристаллического кремния и соединенный с пластиной упругими подвесами, с обеих сторон кремниевой пластины жестко приварены обкладки, на которых нанесены неподвижные проводящие электроды двух типов: электроды датчика перемещений и силовые электроды электростатического датчика момента, триггер-защелку, регистр памяти, реверсивный счетчик, генератор стабильной частоты и первое ключевое устройство, электроды датчика перемещений включены на вход знакового устройства, три выхода которого соединены с электрической схемой акселерометра, первый выход соединен со входом синхронизации счетного триггера, а также со входом установки нуля регистра сдвига и несет информацию о нахождении маятника в нейтральном положении, второй выход знакового устройства несет информацию о положении маятника слева относительно нейтрального положения и соединен со входом установки в нуль триггера защелки, а со входом установки в единицу триггера защелки соединен третий выход знакового устройства, несущий информацию о положении маятника справа относительно нейтрального положения, выходы триггера защелки соединены со входами управления режимами реверсивного счетчика, вход ключевого устройства подключен к источнику опорного напряжения, в котором в соответствии с изобретением электрод-маятник выполнен несимметричным относительно оси качания, кроме того, в заявляемый акселерометр введено второе ключевое устройство, первый и второй инверторы, двухразрядный регистр сдвига, счетный триггер, первый и второй входы управления второго ключевого устройства соединены с единичным и нулевым выходами триггера защелки, вход принудительной установки в нуль счетного триггера соединен с выходом переполнения реверсивного счетчика, вход синхронизации счетного триггера соединен с первым выходом знакового устройства, а выход счетного триггера соединен со входом принудительной установки в режим хранения триггера защелки, выходы второго ключевого устройства соединены вместе и подключены к «земле», в свою очередь, первый и второй выходы второго ключевого устройства соединены с первым и вторым силовыми электродами датчика момента, выход генератора стабильной частоты соединен со счетным входом реверсивного счетчика и одновременно со входом синхронизации регистра сдвига, первый выход регистра сдвига соединен со входом разрешения записи регистра памяти, а второй выход - со входом установки в нуль реверсивного счетчика, ко входу приема информации регистра сдвига подключен выход делителя частоты, выходы реверсивного счетчика соединены соответственно со входами приема информации регистра памяти.

На фигуре 1 приведена схема заявляемого акселерометра. В его состав входят следующие узлы: 1 - проводящий несимметричный электрод-маятник; 2 - силовые электроды датчика момента; 3 - электроды датчика перемещений; 4 - знаковое устройство; 5 - второе ключевое устройство; 6 - первое ключевое устройство; 7 и 8 - первый и второй инверторы; 9 - счетный триггер; 10 - триггер-защелка; 11 - регистр сдвига; 12 - источник опорного напряжения; 13 - генератор стабильной частоты; 14 - реверсивный двоичный счетчик; 15 - регистр памяти.

На фигуре 2 приведен чувствительный элемент акселерометра. В его состав входят следующие элементы: 1 - корпусная пластина; 2 - сквозное травление; 3 - груз разбаланса чувствительной массы; 4 - упругий подвес; 5 - маятник.

Электрод-маятник 1 выполнен в проводящей кремниевой пластине за одно целое с упругими подвесами и соединен с «землей», а неподвижные силовые электроды 2 выполнены на стеклянных обкладках посредством металлизации и сварены с кремниевой пластиной на молекулярном уровне. Электрод-маятник 1 на одном из плеч имеет груз разбаланса (см. фиг.2 поз.3). На тех же стеклянных обкладках выполнены электроды датчика перемещений 3 (см. фиг.1 поз.3) и соединены со входами знакового устройства 4 (см. фиг.1 поз.4), которое отслеживает положение электрода-маятника 1 относительно нейтрального положения.

Знаковое устройство 4 имеет три выхода: один из выходов (на фигуре 1 помечен знаком 0) несет информацию о том, что электрод-маятник находится в нейтральном положении между электродами датчика перемещений 3 и соединен со входом обнуления регистра сдвига 11 и одновременно соединен со входом синхронизации счетного триггера 9. Второй выход знакового устройства 4 (на фигуре 1 помечен знаком ◁) соединен со входом установки в нуль триггера защелки 10 и несет информацию о том, что электрод-маятник 1 находится слева от нейтральной линии. Третий выход знакового устройства 4 (на фигуре 1 помечен знаком ▷) соединен со входом установки в единицу триггера защелки 10 и несет информацию о том, что электрод-маятник 1 находится справа от нейтральной линии. Единичный выход триггера защелки 10 соединен со входом суммирования (вход +) реверсивного счетчика 14 и одновременно через инвертор 8 со входом управления ключом Кл1 первого ключевого устройства 6. Нулевой выход триггера защелки 10 соединен со входом вычитания (вход -) реверсивного счетчика 14 и одновременно через инвертор 7 со входом управления ключом Кл2 первого ключевого устройства 6. Входы приема информации первого ключевого устройства 6 соединены вместе и к ним подключен источник опорного напряжения (U_оп) 12, а выходы первого ключевого устройства соответственно подключены к выходам второго ключевого устройства 5, так выход ключа Кл1 - к выходу ключа Кл3, а выход ключа Кл2 - к выходу ключа Кл4, и одновременно подключены к первому и второму силовым электродам 2. Входы приема информации второго ключевого устройства 5 соединены вместе и подключены к «земле». Выход переполнения реверсивного счетчика 14 соединен со входом принудительной установки в нуль счетного триггера 9. Ко входу синхронизации реверсивного счетчика 14 и одновременно ко входам синхронизации регистра сдвига 11 подключен генератор стабильной частоты 13, а ко входу приема информации регистра сдвига 11 (вход d) подключен выход делителя частоты F_кч/N. Делитель частоты предназначен для формирования измерительного интервала времени, кратного, например, секунде. Первый выход регистра сдвига 11 соединен со входом разрешения записи регистра памяти 15, а второй его выход соединен со входом обнуления реверсивного счетчика 14.

Отличительной особенностью чувствительного элемента является малая рабочая масса электрода-маятника 1 при большой площади электродов 2 электростатического датчика момента. При этом устранен пробой зазора между электродами, что в конечном итоге позволило на два порядка расширить диапазон измерений, а также устранены шумы в выходном сигнале, появляющиеся от остаточных потенциалов на электродах.

Принцип работы заявляемого акселерометра следующий. Полное время преобразования состоит из двух тактов. На первом такте подвижному узлу (электроду-маятнику 1) задается вынужденное движение от нейтрального положения до некоторого смещения Δα под действием противоположно направленных моментов двух сил: силы электростатического датчика момента и силы инерции. Время движения маятника на первом такте является строго отмеренным, оно задается формирователем длительности импульса τ с выхода переполнения реверсивного счетчика 14. На время τ к одному из силовых электродов подключается напряжение U_оп, а противоположный электрод заземлен. Эти функции выполняют первое и второе ключевые устройства 6 и 5. Дифференциальное уравнение движения подвижного узла записывается при этом в следующем виде:

где J - момент инерции маятника; К_д - абсолютный коэффициент газодинамического демпфирования; G_y - угловая жесткость подвеса маятника; М_э - момент, создаваемый электростатическим датчиком момента; M_j=mjl_цт - момент, создаваемый силой инерции, m - значение чувствительной массы разбаланса (см. фиг.2 поз.3) несимметричного электрода-маятника, j - действующее ускорение, l_цт- плечо электрода-маятника (расстояние от оси качания до центра тяжести). Соответственно импульс моментов сил с учетом жесткости подвеса равен

где M_G - момент силы сопротивления упругого подвеса; I₁ - импульс моментов на первом такте.

В конце первого такта на выходе переполнения реверсивного счетчика 14 вырабатывается единичный сигнал, и счетный триггер 9 принудительно устанавливается в нуль и переводит оба выхода триггера защелки 11 в режим хранения с единичными состояниями на обоих выходах. Это приводит к тому, что ключи Кл1 и Кл2 первого ключевого устройства 6 запираются и напряжение опорного источника 12 от первого и второго силовых электродов 2 отключается. В свою очередь, Кл3 и Кл4 второго ключевого устройства 5 отпираются и силовые электроды 2 соединяются с «землей» и начинается второй такт.

На втором такте воздействие электростатического момента прекращается, поскольку оба его силовые электроды соединены с «землей». Электрод-маятник 1 под действием силы инерции и жесткости подвеса возвращается в исходное состояние. Момент прохождения электрода-маятника относительно нейтрального положения выявляется знаковым устройством 4. Сигнал с первого выхода знакового устройства 4 опрокидывает счетный триггер 9 в единичное состояние и далее процесс повторяется. На втором такте работает тот же реверсивный счетчик. Длительность второго такта всегда меньше длительности первого такта. Знак измеряемого ускорения изображается в реверсивном счетчике типом кода: при суммировании - прямой двоичный код, а при вычитании - дополнительный, что соответствует отрицательному ускорению.

Дифференциальное уравнение движения маятника на втором такте имеет вид

И соответственно импульс моментов сил равен

где Т - полный период движения в течение двух тактов; I₂ - импульс моментов сил на втором такте.

Движение маятника в обоих направлениях является демпфированным, поэтому в данном случае маятник выступает в роли механического интегратора с постоянной времени t_n=К_д/G_y. Из закона сохранения импульса моментов сил в консервативной системе следует I₁=I₂ или

Из (5) определим частоту повторения импульсов отработки:

Из (6) видно, что характеристика заявляемого акселерометра является линейной с величиной подставки по частоте, равной: F_подст=M_G/(M_эτ).

Поскольку подставка является методической составляющей, ее легко можно вычесть из соотношения (6) при алгоритмической обработке.

Оценим величину ускорения, которую может отработать электростатический силовой преобразователь. Приравняв момент инерции к электростатическому моменту, получим:

где ρ - плотность материала электрода-маятника; u_оп - опорное напряжение; h - зазор между подвижным электродом-маятником 1 и неподвижными электродами 2.

Варьируя переменными в формуле (7) видно, при допустимом опорном напряжении (5-9 В вместо 30 В прототипа) и допустимых других параметрах заявляемый импульсный акселерометр может быть построен с электростатической отработкой на пределы до 100 g. Этим задача изобретения достигнута.

Источники информации

1. Патент США №3877313, Кл. 73/517, 1975.

2. Патент США №4483194, Кл. 73/517, 1982.

3. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, С.500.

Импульсный микросистемный акселерометр, содержащий подвижный узел, выполненный в виде электрода-маятника в пластине из кристаллического кремния и соединенный с пластиной упругими подвесами, с обеих сторон кремниевой пластины жестко приварены обкладки, на которых нанесены неподвижные проводящие электроды двух типов: электроды датчика перемещений и силовые электроды электростатического датчика момента, триггер защелку, регистр памяти, реверсивный счетчик, генератор стабильной частоты и первое ключевое устройство, электроды датчика перемещений включены на вход знакового устройства, три выхода которого соединены с электрической схемой акселерометра, первый выход соединен со входом синхронизации счетного триггера, а также со входом установки нуля регистра сдвига и несет информацию о нахождении маятника в нейтральном положении, второй выход знакового устройства несет информацию о положении маятника слева относительно нейтрального положения и соединен со входом установки в нуль триггера защелки, а со входом установки в единицу триггера защелки соединен третий выход знакового устройства, несущий информацию о положении маятника справа относительно нейтрального положения, выходы триггера защелки соединены со входами управления режимами реверсивного счетчика, вход ключевого устройства подключен к источнику опорного напряжения, ко входу приема информации регистра сдвига подключен выход делителя частоты, отличающийся тем, что электрод-маятник выполнен несимметричным относительно оси качания, введено второе ключевое устройство, первый и второй инверторы, двухразрядный регистр сдвига, счетный триггер, первый и второй входы управления второго ключевого устройства соединены с единичным и нулевым выходами триггера защелки, вход принудительной установки в нуль счетного триггера соединен с выходом переполнения реверсивного счетчика, вход синхронизации счетного триггера соединен с первым выходом знакового устройства, а выход счетного триггера соединен со входом принудительной установки в режим хранения триггера защелки, выходы второго ключевого устройства соединены вместе и подключены к «земле», в свою очередь, первый и второй выходы второго ключевого устройства соединены с первым и вторым силовыми электродами датчика момента, выход генератора стабильной частоты соединен со счетным входом реверсивного счетчика и одновременно со входом синхронизации регистра сдвига, первый выход регистра сдвига соединен со входом разрешения записи регистра памяти, а второй выход - со входом установки в нуль реверсивного счетчика, выходы реверсивного счетчика соединены соответственно со входами приема информации регистра памяти.