Разработка микросистемного акселерометра

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 микрои 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:

1. Исследование структуры нового микросистемного акселерометра и его составляющих механических и электрических узлов с использованием полупроводниковых материалов и микромашинной технологии.

2. 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.

3. 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.

4. 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 № 2 231 795) имеющий в два раза меньшую погрешность измерения, чем аналоги и разработана математическая модель нового микросистемного акселерометра с уточнением влияния характеристик составляющих элементов, в результате чего расчетные данные совпали с экспериментальными.

2. Разработан оригинальный емкостный преобразователь (патенты: № 2 231 796 и № 2 272 298). Получены теоретические соотношения для расчетов микроэлектронных преобразователей, предназначенных для совместной работы с микромеханическими ЧЭ, что дало разработчикам новый эффективный инструмент проектирования.

3. 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 интетральных датчиков ускорений и явились основой разработки схем и конструкций, защищенных патентами РФ.

2. 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.

3. Разработанные методики определения статических характеристик интегральных датчиков ускорений и их погрешностей с помощью испытательного оборудования позволяют получить основные метрологические параметры приборов.

4. 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 190 300 и 190 900.

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 машинои 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.

Выводы:

1. Разработана поворотная установка, дополняющая испытательную центрифугу и позволяющая расширить возможности центрифуги, посредством отклонения оси чувствительности акселерометра от вектора задаваемого ускорения.

2. Проведены экспериментальные исследования статических характеристик микросистемных акселерометров по определению основных видов погрешностей на разработанной установке: погрешности нуля, крутизны, квадратичной и кубической нелинейностей, погрешности базы и погрешно.

125 сти от перекрестных ускорений. Максимальное значение любой из перечисленных погрешностей не превосходит одного процента от диапазона измерений. Это доказывает техническую эффективность разработок.

3. Выполнены температурные испытания микросистемных акселерометров в диапазоне -60 °С.+85 °С, которые показали независимость характеристики акселерометров в этом диапазоне температур.

4. Проведены испытания упругих подвесов с целью проверки адекватности расчетных формул: для прямоугольного и эллиптического сечений. Установлено, что для подвесов при травлении в плоскости 100 при реализации подвесов с толщинами 5−50 мкм необходимо рекомендовать расчетные формулы для эллиптической формы как наиболее точно совпадающие с экспериментальными результатами.

5. Проведены экспериментальные исследования динамических характеристик микросистемных акселерометров. Установлено, что все экспериментальные данные соответствуют разработанной передаточной функции. Полученная теоретически полная передаточная функция пятого порядка является избыточной, тем не менее, в полосе пропускания близко совпадает с экспериментом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Исследована структура и разработан оригинальный маятниковый ЧЭ и определена его передаточная функция для построения микросистемного акселерометра, в котором снижены влияния температурных напряжений от мест крепления за счет снижения площади контакта с корпусом.

2. Разработана и экспериментально проверена электрическая схема для микросистемного акселерометра с использованием емкостного преобразователя перемещений с непрерывной обратной связью, которая позволила совместно с чувствительным элементом обеспечить лучшую точность (1%) по сравнению с прототипом (2%).

3. Разработана математическая модель микросистемного акселерометра в виде передаточной функции пятого порядка, включающая механический подвижный узел (четыре порядка) и электронный блок (один порядок), в которой определены теоретически все параметры в виде аналитических зависимостей от физических и конструктивных величин, что дало возможность эффективно применять компьютерное моделирование.

4. Исследована статическая точность микросистемных акселерометров посредством сравнения соотношения между жесткостью «электрической пружины» и механической жесткостью упругого подвеса. В результате установлено/ что при меньших затратах для акселерометров прямого измерения может быть получена точность, эквивалентная точности компенсационного акселерометра с электростатической обратной связью.

5. Разработаны математические соотношения для оценки погрешностей от влияния изменений физических и конструктивных параметров и проведены экспериментальные исследования статических и динамических характеристик, подтвердившие адекватность теоретических положений, что позволило проектировать оптимальные конструкции микросистемных акселерометров.

6. Внедрены в практику проектирования расчеты: жесткостей упругих подвесов, абсолютных коэффициентов газодинамического демпфирования, расчеты упругих подвесов на продольную устойчивость и элементов электрической схемы, в результате чего снизились сроки разработок.

Перечень принятых обозначений g — величина ускорения свободного паденияЛ «jy «проекции измеряемого ускорения;

Утах — диапазон измеряемых линейных ускоренийти — длительность импульса;

С|, С2 — рабочие емкости датчика углаh0 — начальный зазор между обкладкамиh — зазор между обкладкамиам, Ьм, см — длина, ширина и толщина маятникаап, Ьп, сп — длина, ширина и толщина упругого подвесае — диэлектрическая проницаемость средые0 = 8,854-Ю-12 Ф/м — диэлектрическая постоянная;

S — площадь обкладок емкости;

JV (s) — передаточная функцияs = d/dt — оператор Лапласа;

4 — логарифмический декремент затухания (относительный коэффициент демпфирования);

Дб — погрешность базирования (неортогональность измерительной оси и базовой плоскости) — ст — среднеквадратическое отклонение- /вых — выходной ток прибора- ?/ВЬ1Х — выходное напряжение прибораRH — сопротивление нагрузкиUnm — напряжение питания;

Uon — опорное напряжение- /потр — потребляемый токг| - безразмерный коэффициент потерь, определяемый физическими и конструктивными особенностями подвесасос — собственная частота колебаний упругой системысо — частота вынужденных колебанийVo — скорость перемещения подвижного узлаv — вектор скорости газа в координатных осях х, у, z р — статическое давление в точках потокар — плотность газар. — динамическая вязкость газаS — площадь в плане подвижного узлаMi=^д Аш — момент демпфирующей силыа — угловая скорость подвижного узлацм — расстояние от точки качания маятника до центра давленияТ — кинетическая энергия чувствительного элемента (ЧЭ) — m — масса ЧЭ;

Jcz — момент инерции ЧЭ относительно центральной осиVc=yлинейная скорость ЧЭсо = ф — угловая скорость ЧЭ;

— линейный абсолютный коэффициент газодинамического демпфированияКду — угловой абсолютный коэффициент газодинамического демпфированияG — линейная жесткость подвесаGy — угловая жесткость подвеса;

Км = mljGy — статический коэффициент передачи маятникового ЧЭcoCM =^Gy jJaz — собственная частота маятникового ЧЭ;

В — магнитная индукция в зазореп — число витков;

I — длина одного виткаН- напряженность поляам — температурный коэффициент изменений магнитной индукции слояДТдиапазон изменения температурыссо, аш — температурные коэффициенты магнитной индукции слоеваг, ав — соответственно температурные коэффициенты сопротивления возвращающей обмотки и магнитной индукции зазора- 1Х, /г — расстояние от осей симметрии ЧЭ х, z до точки, А lex, Icz — расстояние от центра масс ЧЭ до осей х, zm — масса ЧЭh^ - толщина слоя металлизации при нормальных условияхh" pтолщина слоя кремния при нормальных условияхh" - толщина слоя окисла (стекла) при нормальных условияхА — амплитуда колебаний подвижного узларк — удельное сопротивление кремния;

Е иЕ2-модули упругости первого и второго слоев (монокремния и металла) — m — масса подвижного узла;

К — крутизна выходной характеристики (масштабный коэффициент) — К"{п = 2,3,4.) — коэффициенты нелинейностейКху, Kyz — коэффициенты перекрестных связей;

— относительная ошибка смещения нулевого уровня;

Umax — выходное напряжение при действии максимального ускорения;

— относительная ошибка крутизны характеристики;

Kj =^тах/йшах «теоретическое значение крутизны характеристикиотносительная ошибка квадратичной нелинейностиотносительная ошибка кубической нелинейностиU (0) — выходное напряжение при нулевой частоте- - текущее времяfrчастота генератора, питающего емкостный мост.