Мікромеханічний акселерометр на рухомому об’єкті

Вступ

В двадцятому столітті, коли розвиток техніки має надзвичайно високі темпи, з'явилась велика кількість технічних засобів, які дали поштовх до розвитку нових галузей промисловості, котрі змогли б мініатюризувати та покращити існуючу техніку. На сьогоднішній день можна сказати, що перспективним є розробка приладів, котрі мали б малу масу, не великі габарити, але хороші технічні характеристики, малу собівартість, високу надійність.

Мініатюризація навігаційних систем вимагає створення малогабаритних гіроскопічних датчиків. Пошук нових можливостей створення інерційних датчиків з необхідними характеристиками й прогрес в області мікроелектроніки привели до появи нового класу приладів - мікромеханічних акселерометрів (ММА). Поява мікромеханічних пристроїв, побудованих звикористанням MEMS- технологій (MEMS - Micro Electromechanical Systems) ознаменувала революційні зміни в інерційній технології. В теперешній час питанню створення й використання ММА присвячена все більша увага розробників і споживачів малогабаритних датчиків параметрів руху.

Сучасні ММА значно поступаються по точності традиційним електромеханічним акселерометрам, але вони є кращими за масогабаритними характеристиками, показниками собівартості й енергоспоживання. Розроблені зразки ММА характеризуються надмалою масою (частки грамів) і габаритами (одиниці міліметрів), низькою собівартістю (десятки доларів на одну вісь вимірювання) і енергоспоживанням, високою стійкістю до механічних (ударні впливи до 105 g) і теплових впливів (від - 40С до +85С) і достатньою точністю.

Провідне положення в розробці ММА займає Draper Laboratory (США), що досліджує можливість створення мікромеханічних датчиків з початку 80-х років минулого століття. Різні технічні рішення в області розробок мікромеханічних інерційних датчиків отримані й запатентовані рядом закордонних фірм (Rockwell International, Systron Donner, Analog Devices, Sagem, Murata й ін.).

Істотне зниження масогабаритних, вартісних й енергетичних характеристик відкриває нові шляхи використання ММА в цивільній і військовій областях, де раніше їхнє застосування було неможливо через масогабаритні обмеження або стримувалося через економічні міркування. Найбільш привабливим для розробників є потенційний ринок комерційного цивільного використання датчиків, що на порядки перевищує обсяги можливого ринку військової техніки. Серед можливих областей застосування ММА в якості датчиків параметрів руху можна назвати наступні:

1. Автомобільна промисловість. Індустрія автомобільної промисловості є основним «двигуном» швидкого розвитку ринку ММА. У сучасних автомобілях використаються 50-85 датчиків для створення різних систем безпеки й навігації. Прогнозується, що число датчиків протягом найближчих років буде подвоєно і всі останні моделі автомобілів таких, як Cadillac, Mercedes, BMW й Volkswagen будуть забезпечуватися системами навігації й динамічного контролю безпеки.

2. Навігаційне устаткування й військова техніка. Досягнення в області створення безкарданових інерційних навігаційних систем (БІНС) і комплексування із глобальними супутниковими навігаційними системами (GPS і ГЛОНАСС) дозволяють застосовувати ММА для широкого класу завдань навігації й керування рухом. Завдяки своїм унікальним властивостям ММА знаходять застосування в системах озброєнь і військової техніки, можуть бути успішно використані для стабілізації супутникових антен, керування безпілотними літальними апаратами й іншою апаратурою рухомих об'єктів.

3. Робототехніка. Серед можливих застосувань - задачі навігації мобільних роботів, керування маніпуляторами різного призначення, автоматизація заводського устаткування.

4. Медицина. Мікрогіроскопи можуть бути використані для стабілізації мікроінструментів, у медичній електроніці й діагностичній апаратурі.

5. 5 .Товари широкого вжитку. ММА можуть знайти застосування для стабілізації зображення відеокамер, для створення систем індивідуальної навігації, у нових розробках віртуальних комп'ютерних ігор і спортивного спорядження.

Широке застосування ММА та зростання потреби в них стимулюють подальший розвиток данного типу інерційних датчиків. Вдосконалюються їх характеристики, розширюється сфера застосування.

Метою даного проєкту є аналіз теоритичних основ та практичних застосувань сучасних мікромеханічних акселерометрів.

Сучасний науково-технічний прогрес в багатьох випадках тісно пов'язаний із застосуванням нових датчиків та приладів. Як вже було зазначено раніше, міромеханічні акселерометри знаходять своє застосування в різноманітних галузях промисловості, особливо в тих, котрі потребують мімізувати габаритні розміри та мінімальні затрати. Наприклад, в автомобілебудуванні вони використовуються в першу чергу для забезпечення безпеки водія та пасажирів. Іноземне слово «акселератор» відомо давно. Зазвичай - це педаль газу, при натисканні якої водій заставляє автомобіль рухатись швидше, тобто з прискоренням. А виміряти прискорення дозволяє такий прилад, як акселерометр. В машинобудуванні цей прилад з'явився зовсім недавно, а в ракетах, підводних човнах, літаках, акселерометри є чутливими елементами систем автоматичного керування рухом [1].

Розглянемо наведені в літературних джерелах основні характерні особливості акселерометрів. В основі конструкції акселерометра - грузик (інертна маса), який змінює своє положення в корпусі на пружині (або іншому пружному елементі), реагуючи на силу інерції, при виникненні прискорення або різкому зменшенні швидкості руху машини. Чим більше прискорення, тим більше відхилення грузика. Коли сила інерції врівноважується силою пружини, величина його зміщення від нейтрального положення свідчить про прискорення, реєструється будь-яким датчиком переміщення і перетворюється в електричний сигнал на виході приладу. Цей сигнал потім передається в бортовий комп'ютер [1]. Конструкція приладу така, що акселерометр реагує на ту складову, яка співпадає з напрямком переміщення грузика, так званою віссю чутливості. Найпростіші акселерометри мають одну таку вісь, але є із двома та трьома. Особливостями акселерометра є також те, що він реагує на силу земного тяжіння. В одному випадку це заважає, а в іншому навпаки допомагає. Наприклад, якщо автомобіль знаходиться на схилі то акселерометр вимірює проекцію прискорення сили тяжіння g на свою вісь чутливості -(), що дозволяє виміряти нахил авто.

В роботі [2] наведено опис конструкції та принцип функціонування акселерометра на рухомому об'єкті. Нехай на автомобілі, який рухається по рівнинній місцевості, встановлений двоосний акселерометр вимірювальні осі якого встановлені в горизонтальній площині: X- по осі автомобіля,Y- перпендикулярно їй, тобто: X - вісь лінійного прискорення, а Y- вісь кутового прискорення, яке з”явилось внаслідок кручення (повороту). Якщо проінтегрувати вимірюване прискорення, а також якщо відомо початкове місце знаходження об'єкта і вектор початкової лінійної швидкості, то можна знайти місце знаходження об'єкта на даний момент. При русі по горизонталій площині датчик не буде реагувати на прискорення тяжіння, але при підьомі та на спуску, тобто при продольному та боковому кренах, виміряне прискорення руху буде додаватися до складових прискорення тяжіння та, де - відповідні кути нахилу по осям (X,Y). При цьому датчик буде розрізняти додатні та від'ємні кути нахилу, з цього випливає, що датчик буде вимірювати тільки крен при відсутності прискореного руху або взагалі при відсутності руху. Таким чином датчик можна використовувати в автомобілі для забезпечення зпрацьовування захисних засобів при різкому гальмуванні.

Розглянемо зображену на рис.1 схему чутливого елемента двоосного акселерометра ADXL202 ADXL210 фірми Analog Devices.

Його основа складається з прямокутної пластини, яка має масу і яка встановлена на полісіліконових ресорних підвісах - розташованих по кутам пластини. Підвіс показаний в збільшеному вигляді на рис.2.

Пластина може рухатись у своїй площині під дією сил інерції та тяжіння (по осям X, Y). Величина зміщення визначається прикладеною силою, врівноваженою силою пружності, яка виникає завдяки деформації підвісок та пропорційна цьому зміщенню.

По бокам пластини розміщені дифереціальні конденсатори , , , , рухомі частини (пальці) котрих механічно є одним цілим з пластиною. Кожен рухомий палець охоплениний двома нерухомими, разом вони утворюють диференційний конденсатор, який складається з двох секцій. При зміщенні рухомої частини ємність одного конденсатора збільшується, а іншого - зменшується. Розбаланс ємностей зумовлений рухом пластини та використовується в електричній частині датчика для використання у якості вхідного сигналу. Цей сигнал пропорційний вимірювальному прискоренню. Конденсаторів є декілька з кожного боку, вони включені паралельно, в результаті чого чутливий елемент має два сумарних конденсатора - та . Розміри елементів конденсатора такі: довжина активної частини пальців складає 125 мкм, висота 2 мкм, зазор між рухомими та не рухомими пальцями близько 1,3 мкм. Електрична частина датчика ADXL202 ADXL210 складається з наступних пристроїв:

- двохтактний високочастотний генератор, вихідна напруга якого подається в протифазі на нерухомі пальці диференційних конденсаторів(,);

- демодулятори ( в кожному каналі X, Y), входи яких підключені до рухомих пальців ,; в демодуляторах вихідний сигнал конденсаторів, величина та фаза якого визначаються з вимірювальним прискоренням, демодулюється в порівнянні з напругою високочастотного генератора;

- RC- фільтри на виході демодуляторів, резистори яких знаходяться в складі мікросхеми, а конденсатори, що забезпечують разом з резисторами фільтрацію вихідного сигналу демудулятора, можуть бути підключені зовні. Тобто, виводи підключення конденсаторів є виводами вихідного аналового сигналу;

- двохканальний перетворювач вихідної аналогової напруги в сигнал з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Вимірювальне прискорення пропорційне , де , - тривалість імпульсу, - період ШІМ- сигналу. Період може бути встановлений в межах від 0,5 до 10 мс.

В інших датчиках - мікросхеми ADXL150/190/250 [2] на виході замість ШІМ- перетворювача використовують буферні підсилювачі, які дозволяють також робити підрегулювання нуля та максимального показання шкали вихідної напруги. Ця мікросхема має температурний датчик, який може бути використаний для температурної компенсації вихідної напруги датчика прискорення. Всі датчики мають канал самотестування. Використання спеціалізованих процесорів забезпечує отримання вихідних даних в цифровій формі [2].

Акселерометри застосовуються в різноманітних системах рухомих об'єктів, наприклад системах як керування, так і в системах безпеки руху автомобіля, адже безпека життя людини та комфортність руху на сьогоднішній день є головними задачами в автомобілебудуванні.

На рис.3 показано застосування інерціальних датчиків в автомобільних системах [4].

Рис.3. Приклад застосування інерціальних датчиків в автомобілі

Зеленим кольором на рис.3 показано акселерометри, які реагують на зіткнення автомобіля. Для цього використовується датчики типу: ADXL78/193. Для визначення перевороту використовується ADXL203 та ADXL150/300. Жовтим кольором позначено використання акселерометра в динаміці керування рухом для цього також використовуються акселерометри ADXL203 та ADXL150/300.Червоним зображено керування підвіскою машини - це ADXL103/203 ADXL213. Для навігації (фіолетовий) застосовують ADXL150/401 ADXL203.

На рис. 4 зображені датчики системи безпеки, які забезпечують безпеку життя людини та комфорт. До них відносять датчики активації подушок безпеки та ременів безпеки.

Рис.4. Датчики системи безпеки



-Додаткові датчики

-Двоосні датчики активації подушок

безпеки

-Датчик керування підвісом

- Подушки безпеки

- Датчик ременів безпеки

-Гіроскоп

Таким чином, як видно з наведених даних, сучасні акселерометри мають широке застосування в автомобілебудівній промисловості [3] для забеспечення необхідної безпеки та комфорту руху.

Розглянемо, яким чином відбувається вимірювання прискорень акселерометром, який встановлений в автомобілі.

На рис.5 показано дію прискорення земного тяжіння на акселерометр.

Акселерометр знаходиться в статичному (нерухомому) стані, прискорення руху відсутнє, але його показання виникає завдяки силі тяжіння і залежить від місця розташування відносно Землі. Слід відмітити те, що відповідно до рис.5 проводиться не тільки вимірювання, а і калібровка акселерометра. Прискорення земного тяжіння залежить від географічної широти, із урахуванням впливу обертання Землі, знаходиться в межах від 9,78( на екваторі) до 9,834 (на полюсах) при середньому значенні 9,81, крім того прискорення залежить від висоти над рівнем світового океану.

На рис.6 показано приклад вимірювання продольного крену автомобіля при використання прискорення земного тяжіння.

Вісь акселерометра, завдяки якій проводиться вимірювання, співпадає з продольною віссю автомобіля X. Цим же акселерометром проводиться вимірювання лінійного прискорення автомобіля. На рис. 6,а та рис. 6,б показані вектори додатного та від”ємного прискорення руху, та відповідні їм вектори прискорення сил інерції, а також вектори прискорення земного тяжіння, який розташований на осі Z. На рис. 6,в та рис. 6,г показано спосіб вимірювання продольного крену. Якщо автомобіль не рухається - показання акселерометра зумовлені тільки проекцією вектора прискорення земного тяжіння на вісь X: , , де та - додатній та від”ємний кут нахилу автомобіля. Аналогічним чином по поперечній осі Y може виконуватись вимірювання кутового прискорення та поперечного крену автомобіля [2].

Таким чином в даному розділі на основі проведеного огляду літературних джерел розглянуті основні особливості акселерометрів, загальний принцип роботи та сфери застосування.

2.Технологічні основи виробництва мікромеханічних приладів

2.1. Вирощування кристалів

Мікромеханічні прилади виготовляються з кристалів кремнію. Для виготовлення пластин використовується хімічно чистий кремній, який добувають із кварцу, іншими словами (з двоокису кремнію) шляхом відновлення з використанням вуглецю [5]. В ході реакції відновлення кисень двоокису кремнію зв'язується з вуглецем, таким чином отримуємо окис вуглецю, а кремній виділяється у вигляді чистої речовини. Далі йде процедура очистки, після чого допустима концентрація забруднюючих речовин складає 0,1 мільйонної долі відсотку. Для вирішення задачі вирощування кристалів як правило застосовують два методи: метод Чохральского та зонну плавку. В обох випадках беруть невеликий кристал з ідеальною структурою, який в першому випадку (рис.7) занурюють в розплав кремнію, а потім безперервно обертаючи повільно витягують разом із налиплим матеріалом.

Рис.7. Метод вирощування кристалів( Метод Чохральского)

В ході наступної дії - охолодження, матеріал котрий налип кристалізується, що і є зародковий кристал. Якщо зародковий кристал буде мати ідеальну структуру, то і кристал, який з нього, виросте також буде мати ідеальну структуру. Згідно методу Чохральского швидкість вилучення кристалу із розплаву лежить в межах від десятих долей міліметра до декількох міліметрів за хвилину.

В методі зонної плавки виконується повільне опускання зони розплаву (рис.8).

Рис.8. Метод вирощування кристалів (Метод зонної плавки )

Кремній, котрий залишився на зоні розплавки застигає у вигляді монокристалу. Розплавлений кремній не розтікається в різні боки, йому заважають сили поверхневого натягу, але до тих пір, поки стержень залишається досить тонким .

Методом Чохральского можна отримати стержні діаметром до 150 мм, а методом зонної плавки - до 100 мм.

Відомо, що використовуються пластини, товщина котрих може бути від 200 до 600 мкм, причому різниця може бути досить велика. При виготовленні інтегральних перетворювачів потрібно використовувати пластини строго заданої товщини. В цьому випадку видалення непотрібного матеріалу можна виконати не тільки механічною обробкою, а і хімічним травленням. Але поверхня при цьому повинна бути полірована, щоб, по-перше, проводити на ній фотолітографію, а по-друге - не погіршувати стану поверхні після травлення, завдяки якому виготовляється сам пружний елемент.

Якщо поверхня кремнієвої пластини отримана після різки злитку з мікронерівностями порядку декількох десятків мікрометрів, то потрібно виконати поліруюче травлення, після чого зніметься 50-70 мікрометрів та поверхня, яка отримається, буде мати мікронерівності декількох мікрометрів. Хоча якість поверхні значно гірша, ніж після механічної обробки, але її також можна використовувати для фотолітографії та мікропрофілювання пластини.

Окислення кремнієвої пластини є хорошим способом, але порівняно із стандартною технологією має деякі обмеження:

1. Якісний окис потрібно мати з обох сторін пластини.

2. Товщина окису повинна витримувати не тільки звичайні випробування (захисні функції при дифузії домішок, паразитними ємкостями провідників).

Існують також захисні поверхні кремнію при глибокому мікропрофілюванні пластини методом анізотропного хімічного травлення. Шар двоокису кремнію формується на підложці за рахунок хімічного з'єднання в напівпровіднику атомів кремнію та кисню, який подається до поверхні кремнієвої підложки, нагрітої в технічній печі до високої температури (900-1200 С) (рис.9).

Рис.9.Термічне окиснення.

Пластини розміщуються в кварцовій трубці діаметром 120-130 мм. Окислення відбувається протягом 6-ти годин в залежності від товщини окису.

Окислення проходить набагато швидше в атмосферному середовищі волого кисню, тому вологе окислення використовується для більш товстих захисних шарів.

Найчастіше використовується товщина окису, яка складає десяті долі мікрону, а верхня практична межа по товщині для звичайного термічного окислення складає 1-2 мікрометра. Значним кроком вперед в окисленні захисного шару на сьогодні є добавляння в процес окислення хлористих компонентів. Це призвело до покращення стабільності порогової напруги польових МДП-транзисторів, збільшенню напруження пробою діелектриків [1].

2.2. Розмірна обробка

Чутливі елементи мікромеханічних приладів представляють собою об'єми складної конфігурації з різноманітними наскрізними та глухими щілинами. Розмірна обробка пластин виконується за допомогою травлення, вибір якого залежить від відкриття “вікон” в захисній оксидній плівці. Цей процес називається літографія. Літографічні процеси формують на поверхні підложки шар стійкого до наступних технологічних дій матеріалу, котрий зможе під дією випромінення визначеної хвилі змінювати свої характеристики, і перш за все стійкість [ 5 ].

2.3. Літографія

В залежності від довжини хвилі застосованого випромінення застосовують наступні види літографії: фотолітографію (оптичну), електронно-променеву, рентгенівську та іонно-променеву.

Фотолітографія є основним технологічним процесом в мікроелектронному виробництві.

Для виготовлення масок використовують електронно-променеву літографію. Із-за ефекту розсіювання відбитих електронів в мікроструктурах з високою густиною мінімальна ширина лінії обмежується величиною 0,5 мкм.

Рентгенівська літографія дозволяє зменшити лінійні розміри до декількох десятків нанометрів, при цьому потрібно використовувати складну поглинаючу змазку або спеціальну тонкостінну захисну структуру. Іонно-променева літографія дозволяє проводити локальне легування домішок з дуже високою роздільною здатністю (0,01 мкм).

3.Вимірювання мікропереміщень чутливих елементів приладів

Найбільш розповсюдженими перетворювачами переміщень чутливих елементів мікромеханічних приладів є: тензорезистори та ємнісні датчики.

Розглянемо вимірювання мікропереміщень за допомогою ємнісних датчиків [5].

Ємнісний перетворювач працює на основі вимірювання ємності між рухомим електродом 1, який зазвичай розташований на рухомій частині акселерометра (чутливому елементі), та нерухомими електродами 2 які знаходяться на корпусі (рис. 10).

Рис.10 Ємнісний перетворювач переміщень

Ємності між відповідними парами електродів визначаються за формулами:

; ; (1)

де - - діелектрична проникливість між електродами; (Ф/м); - площа взаємного перекривання електродів; - зміщення рухомого електроду; - початковий зазор між електродами.

Із залежності (1) випливає, що кожний з параметрів приводить до змінення параметрів ємнісного перетворювача. Щоб запобігти впливу площі перекриття площу рухомого електроду роблять меншою, ніж площу нерухомого. Слід мати на увазі, що між кожною парою електродів є силова взаємодія, яка визначається за формулою:

i=1,2 , (2)

де - електричні заряди на електродах.

Також вплив має і параметр , вплив котрого запобігається в електронній схемі. Вимірювальна схема з ємнісними перетворювачами переміщень повинна задовольняти таким умовам [1]:

1. Лінійність статистичної характеристики у всьому діапазоні вимірювання.

2. Відсутність впливу діелектричної проникливості середовища, яким заповнено простір між вимірювальними електродами перетворювача.

3. Достатня фільтрація вихідного сигналу від несучої частоти генератора, до якого включений ємнісний міст.

4. Виключення впливу тяжіння між рухомими і нерухомими електродами ємнісного моста.

5. Мінімальна кількість схемних елементів.

Найбільш підходящою схемою по вимогам, є схема на рис.11.

Рис.11. Принципова схема ємнісного перетворювача

Час роботи перетворювача можна розділити на два такти: перший такт підготовки, під час якого заряджається заряд вимірювальних конденсаторів від джерела опірних напруг. Ключ синхронного детектора Кл1 замкнений, а інтегратор виконує функцію аналогового запам'ятовуючого осередку [5]. Другий такт - вимірювальний, під час якого виконується перезаряд вимірювальних ємностей, ключ синхронного детектора розімкнений, що призводить до подачі сигналу на вхід інтегратора та кола зворотнього зв'язку. Два плеча ємнісного моста представляють диференційні вимірювачі ємності С1, С2, а два інших плеча- джерела опірної напруги та .

Вихідний опір вимірювальної діагоналі ємнісно-резисторного моста є високоомним, а рівень корисного сигналу після моста недостатній для подальшої обробки [5]. В зв'язку з цим міст доповнений повторювачем заряду на операційному підсилювачі (Оп1), який одночасно виконує функцію трансформування високого опору у низький та порівняння сигналів моста та кола зворотного зв'язку. Резистори суматора зроблені однаково і мають однаковий опір (R1=R2).

Рис.12. Структурна схема ємнісного перетворювача

Відповідно до структурної схеми (рис.12) повна передатна функція перетворювача має вигляд:

(3)

де - статистичний коефіцієнт передачі перетворювача; - стала часу інтегратора; s -оператор Лапласа.

Інтегратор виконує дві функції. По-перше - він придає порядок астатизму перетворювачу, в результаті чого температурний дрейф електронних вузлів прямого кола охоплений зворотнім зв'язком, не впливає на точність перетворення. По-друге в підготовчому такті разом із ключем синхронного детектора він виконує функцію аналогового запам'ятовуючого осередку результату перетворення на попередньому такті. При s=0 з виразу (3) одержуємо, що напруга на виході вимірювальної схеми дорівнює:

. (4)

З формули (4) випливає, що основними причинами температурної похибки вимірювального кола є нестабільність джерела опорної напруги та нестабільність зазору між електродами.

Температурну похибку можна визначити за формулою:

(5)

де - температурний коефіцієнт напруги стабілізатора; - температурний коефіцієнт матеріалу який впливає на змінення зазору.

Температурний коефіцієнт напруги стабілізатора приблизно на порядок перевищує величину інших похибок. В якості одного з способів підвищення точності ємнісного перетворювача є вибір стабілізатора, знак температурного коефіцієнта напруги якого не співпадає зі знаком температурного коефіцієнта змінення початкового зазору.

Для діапазону температур (-60 …+80) сумарна відносна похибка складає % від діапазону вимірювання.

4.Структура та принцип функціонування мікро механічних акселерометрів

4.1. Загальні принципи побудови

Один з перших кремнієвих акселерометрів був виконаний по схемі, наведеній на рис. (13) [5].

Рис. 13 Принципова схема балочного акселерометра

Діапазон вимірювання прискорень від 0,1 до 500 м/с2, а частотний діапазоні від 0 до 100 Гц. Блок-схема чутливого елемента з частотним виходом представлена на рис. 14, чутливий елемент складається з двох маятників кожний з яких підвішений на трьох пружних перемичках [5].

`

Рис.14 Блок-схема розімкнутого акселерометра з частотним виходом

Номінальний зазор складає 0,039 мм. Маятники складають дві ємності С1 і С2 з електродами, встановленими на корпусі приладу. Обкладки ємностей включені таким чином, що при дії прискорення зазор в одному конденсаторі збільшується а в другому зменшується.

Кожна ємність включена до складу контура генераторів Г1 та Г2. Частота одного генератора зменшується а другого збільшується. Сигнали від кожного генератора складаються за допомогою змішувача ЗМ, а різницева частота цих сигналів і є вихідним сигналом акселерометра. Така схема акселерометра дозволяє виключити додаткові деталі на маятниках і значно спростити конструкцію чутливого елементу.

За вимірюванням різницевих частот двох генераторів можна визначити прискорення. На рис.15 приведена залежність вихідного сигналу акселерометра від величини діючого прискорення.

Рис.15. Залежність вихідного сигналу від діючого прискорення

При розробці даного типу акселерометра довелось зіткнутися з цілим рядом проблем: явищем самосинхронізації частот двох генераторів, досить значною залежністю вихідного сигналу акселерометра від величини напруги живлення та температури навколишнього середовища. Для компенсації всіх цих похибок розробниками вводилось алгоритмічна компенсація всіх похибок.

По схемі балочного акселерометра випускаються прилади типу АТ1101 та АТ1105.

Широко застосовується підвіс маятника по схемі рис. 16. З таким підвісом маятника можуть працювати, як кутові акселерометри так і лінійні акселерометри при зміщенні центру мас маятника відносно осі пружних перемичок.

Рис.16. Гібридний акселерометр компенсаційного типу (схема підвісу)

Маятником може слугувати як внутрішня, так і зовнішня пластина. Акселерометр має гібридну конструкцію - датчик моменту контуру зворотнього зв'язку виконаний по традиційній технології і має нерухомий постійний магніт та обмотку на маятнику. На маятнику напилені електроди, які є загальною обкладкою ємнісного датчика переміщень маятника, а два інших електрода напилені на корпусі приладу. Зазор між маятником та електродами на корпусі складає 0,021 мм. Для збільшення маятниковості встановлений груз.

Акселерометр має встрояну електроніку зворотнього зв'язку, виконану на основі гібридно-плівчатої технології. Акселерометри були виготовлені для застосування в керуючих боєприпасах з діапазоном вимірювання від 100g до 100000g а також для комерційних цілей з діапазоном вимірювання прискорень (0,1-1,5)g.

Блок-схема акселерометра наведена на рис.17. Блок-схема складається з задаючого генератора ЗГ, двох підсилювачів У1 та У2, двох випрямлювачів В1 та В2, диференційного підсилювача ДУ, датчика моменту ДМ, та еталонного опору Rе з якого знімається вихідний сигнал.

Рис.17. Блок-схема акселерометра

Даний тип акселерометра випускається в декількох модифікаціях (А-12, А-15, А-16), в залежності від конкретного застосування. Ці акселерометри встановлюються в карданні та безкарданні системи.

Основним недоліком описаного приладу є складність конструкції чутливого елементу.

Акселерометр з встрояною електронікою витримує удари до 50g та має наступні характеристики:

- діапазон вимірювальних прискорень ;

- масштабний коефіцієнт ;

- нестабільність масштабного коефіцієнта ;

- дрейф нульового сигналу на протязі однієї години ;

- дрейф нульового сигналу за час більше однієї години ;

- поріг чутливості ;

- маса акселерометра ;

Є також варіант конструкції акселерометра прямого вимірювання з підвісом маятника по схемі рис.16, показаний на рис.18 [5].

Рис.18. Маятник акселерометра: а) схема підвісу; б) підключення електродів датчика переміщення для лінійного акселерометра; в) підключення електродів для кутового акселерометра; 1- нерухома пластина; 2- пружний підвіс; 3- рухомий елемент підвісу (маятник).

Рухома пластина 3 являється маятником, який за допомогою чотирьох пружних перемичок підвісу 2 з'єднаний з базовою пластиною 1. Вся маятникова система може бути виконана з монокристалічного кремнію анізотропним травленням. Торцеві поверхні бази 1 можуть бути з'єднані зі скляними боросілікатними кришками, наприклад, електростатичною зваркою. Рухома пластина є одночасно центральним електродом ємнісного датчика переміщень.

4.2. Структура та принцип дії акселерометра фірми Analog Devices типу ADXL

Фірма Analog Devices випускає серію одноосних двоосних акселерометрів ADXL для діапазону вимірювання прискорень від до . Частотний діапазон акселерометра (0-100) кГц.

Схема кремнієвого чутливого елементу показана на рис.19,а, а його конфігурація при дії прискорення на рис.19,б [5]

Рис.19. Конфігурація чутливого елемента акселерометра: а) спокій; б) при дії прискорення.

На нерухомі частини конденсатора чутливого елементу подаються протифазні прямокутні імпульси 1 МГц: амплітуди обох прямокутних імпульсів дорівнюють один одному, але зсунуті по фазі на 180. В спокої ємність двох конденсаторів рівна, тому вихідна напруга на їх електричному центрі (н центральній пластині прикріпленій до середньої балки) дорівнює 0.

Коли балка починає рухатись, то різниця ємностей приводить до появи вихідного сигналу на центральній пластині. Амплітуда сигналу буде збільшуватись із збільшенням прискорення, прикладеного до чутливого елементу.

Принцип вимірювання прискорення ілюстрований блок-схемою на рис.20.

Рис.20. Блок-схема акселерометра

Центральна пластина через підсилювач У1 підключена до синхронного детектора. Напрям руху балки впливає на фазу сигналу тому синхронне детектування використовується для виділення інформації про амплітуду. Вихід синхронного детектора через підсилювач У2 забезпечує вихідну напругу прискорення V.

Акселерометри цієї серії можуть найти застосування: при вимірюванні кутів нахилу в автомобільних сигнальних пристроях; при реакції на інерційні сили для захисту дисків в ноутбуках, в чутливих елементах подушок безпеки, в системах навігації автомобіля, в системах контролю ліфту, при наявності вібрації та ударів в системах керування станками та контролю вібростендів.

Розглянемо акселерометр останнього покоління - це трьоосний акселерометр фірми Analog Devices типу ADXL.

Акселерометр ADXL330 виготовляється в мініатюрному пластмасовому корпусі типу LFCSP_LQ розміром : 4*4*1.5 мм.

Розглянемо наведену на рис.21 функціональну блок-схему акселерометра ADXL330.

Блок сенсорів мікросхеми включає в себе три чутливих елементи, кожний з яких орієнтований в напрямку однієї з ортогональних осей: x, y, z . Розташування осей відносно корпусу мікросхеми показано на рис. 22. Технологічна похибка орієнтації осей сенсорів відносно просторових осей при виготовлені та установці не перевищує 0.1 градус. Наявність технологічної похибки приводить до виникнення систематичної між осевої похибки вимірювання, яка може бути повністю скомпенсована на системному рівні

Рис. 22 Орієнтація осей відносно корпуса акселерометра

Канал формування вихідного сигналу відповідного прискорення вздовж відповідної осі складається з ємнісного сенсора, допоміжного підсилювача, демодулятора сигналу сенсора, кінцевого підсилювача і зустрічного ортогонального резистора Rfiltr з опором 32 кОм, який одночасно є елементом вихідного фільтру нижніх частот. В таблиці 1 наведені дані щодо призначення виводів мікросхеми.

Призначення виводу мікросхеми ADXL330 Таблиця 1

Номер виводу	Призначення
1,4,9,11,13,16	Вільний (NC)
2	Само тестування (ST)
3,5,6,7	Загальний (COM)
8	Вихід каналу Z(Zout)
10	Вихід каналу Y(Yout)
12	Вихід каналу X(Xout)

Страница:

•  1 
•  2 
•  3 

дипломная работа "Мікромеханічний акселерометр на рухомому об’єкті" скачать

Подобные документы

• Розробка датчика температур на акустичних хвилях

  Принципи побудови акустичних датчиків. Конструкції й технічні характеристики сучасних датчиків. Аналіз можливих варіантів побудови датчиків акустичних хвиль. Принцип дії та функціональна схема термодатчика. Розрахунок порогової чутливості термодатчика.
  
  дипломная работа [2,5 M], добавлен 30.08.2010
  

• Загальна характеристика датчиків

  Визначення та класифікація датчиків. Особливості датчиків механічних величин, принцип дії оптоелектронних датчиків положення. Порівнянні характеристики датчиків різних типів для перетворення параметрів зовнішнього середовища у електричний сигнал.
  
  курсовая работа [6,3 M], добавлен 29.06.2010
  

• Проектування мікропроцесорної метеостанції

  Загальна характеристика метеорологічних приладів: термометрів, барометрів, психрометрів, гігрометрів. Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції, розрахунок її надійності. Вибір мікроконтролера і датчиків, монтаж друкованих плат.
  
  дипломная работа [3,1 M], добавлен 13.06.2012
  

• Розробка пасивного термодатчика

  Принцип дії та функціональна схема пасивного термодатчика. Вибір принципу радіолокації для приладів на пасивних ПАХ-елементах. Принципи побудови акустичних датчиків та резонаторів. Розрахунок порогової чутливості та теплової інерційності термодатчика.
  
  дипломная работа [2,6 M], добавлен 25.08.2010
  

• Характеристика сучасних електронно-променевих установок

  Вимоги, що пред’являються до вакуумних натікачів, їх характеристики. Класифікація існуючих типів натікачів. Система з дискретним регулюванням тиску в вакуумному об'єкті. Вибір геометрії дозуючого пристрою натікача та складання його математичної моделі.
  
  дипломная работа [2,1 M], добавлен 17.06.2015
  

• Системи стабілізації поля зору сучасних танкових прицілів

  Особливості спостереження з об'єктів, що рухаються. Просторові коливання об'єкта регулювання: вплив на точність систем стабілізації. Методи стабілізації поля зору приладів спостереження (сучасних танкових прицілів на основі електромеханічних гіроскопів).
  
  дипломная работа [3,4 M], добавлен 08.03.2012
  

• Фізико–технологічні процеси створення електролюмінісцентних плоских пристроїв відображення інформації

  Технологія виготовлення порошкових, плівкових та органічних електролюмінісцентних індикаторів. Дослідження конструкції і оптичних параметрів ЕЛ-дисплеїв, аналіз результатів випробувань і потенційних застосувань. Полімерні електролюмінісцентні панелі.
  
  курсовая работа [679,1 K], добавлен 09.05.2010
  

• Проектування системи безпеки картинної галереї

  Вимоги до системи безпеки об'єктів категорії Б. Розробка підключень і розрахунок необхідної кількості відеокамер та датчиків для забезпечення захисту приміщення. Перевірка правильності вибору та оцінки споживчих характеристик технічних засобів охорони.
  
  курсовая работа [308,0 K], добавлен 28.04.2011
  

• Розробка системи безпеки картинної галереї

  Система підключення, розташування і кількість датчиків відеоспостереження для забезпечення оптимального захисту приміщення. Зв’язок з пунктом прийому контроля. Вимоги до системи безпеки об’єктів даної категорії. Технічні засоби охоронної сигналізації.
  
  курсовая работа [484,7 K], добавлен 11.05.2012
  

• Створення простої лазерної системи охоронної сигналізації

  Розробка електричної схеми оптичної охоронної системи. Дослідження можливої реалізації структурних блоків. Вибір елементної бази та розрахунок параметрів елементів схеми. Характеристика особливостей сервісних датчиків і пристроїв охоронної сигналізації.
  
  курсовая работа [358,0 K], добавлен 12.03.2014
  

Другие документы, подобные "Мікромеханічний акселерометр на рухомому об’єкті"

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам