Электронные блоки для интегральных акселерометров прямого измерения и компенсационного типа

Актуальность работы. Актуальность выбранной темы подтверждается современным потоком информации в области интегрального приборостроения. С марта 2002 года микросистемная техника объявлена приказом Президента РФ критической технологией. В мире, а в том числе и в России, существуют специальные журналы, например, Sensor Letters (США), Микросистемная техника (Россия), Датчики и системы (Россия), в которых постоянно публикуются новейшие разработки и способы производства интегральных датчиков для различных областей техники. Из современных публикаций следует, что спрос на датчики постоянно растет. При этом прослеживается тенденция замещения традиционных датчиков интегральными на базе микроэлектромеханических систем. В то же время возрастают требования к точности датчиков.

В настоящее время микроэлектромеханические структуры широко применяются в навигационных и управляющих системах всех типов транспортных средств: автомобилях, самолетах, вертолетах, космических ДА, а также на кораблях, подводных лодках и различных боеприпасах: ракетах, торпедах и т. д. Существуют также системы подземной навигации для исследования профиля скважин при буровых работах — гироскопические и магнитные инклинометры, выполненные в виде микроэлектромеханических систем и реализующие инерциальный принцип счисления пути и координат места.

На современном этапе развития конструкций летательных аппаратов, инклинометров и боеприпасов проявилась тенденция микроминиатюризации конструкций отдельных компонентов таких систем, в частности приборов первичной информации — датчиков линейных ускорений (ДЛУ, акселерометров), датчиков угловых скоростей (ДУС, двухстепенных гироскопов) и датчиков угловых координат (трехстепенных гироскопов), при сохранении и дальнейшем увеличении их точности, надежности, временной стабильности и снижении энергопотребления. Причем, если для гироскопических приборов эта тенденция едва прослеживается и имеет поисковый характер, то акселерометры успешно поддаются миниатюризации на протяжении последних 20-и лет как в нашей стране, так и за рубежом. Происходит это в основном благодаря интегральным технологиям, заимствованным из микроэлектроники (фотои рентгенолитография, изотропное и анизотропное травление, ионная имплантация, эпитаксия и т. д.), а чувствительные элементы (ЧЭ) самих датчиков изготавливаются из кремния или кварца групповым способом. Из зарубежных разработчиков наиболее известны разработчики в области микросистемных приборов навигации в настоящее время являются фирма Analog Devices (Doscher J., США), Scientific Honeyweller (Askc. V.H., США), LITEF GmbH (ФРГ). Перечислим отечественные фирмы разрабатывающие микросистемные датчики: Арзамасское НПП «ТЕМП-АВИА» (к.т.н. Былинкин С.Ф.), Зеленоградский НИИЭТ (д.т.н. Тимошенков С.П.), Пензенский НИИ-ФИ (д.т.н. Мокров Е.А.), МВТУ (д.т.н., профессор Коновалов С.Ф.) Тульский ГТУ (д.т.н., профессор Распопов В.Я.), и пр. Сервисная электроника датчиков первичной информации увеличивает степень своей интеграции, и на данный момент обозначился переход от гибридных интегральных схем (ГИС) со многими активными и пассивными компонентами на керамической подложке к специальным большим интегральным схемам (спецБИС) на одном кремниевом кристалле, имеющем источник опорного напряжения, генератор для измерительной схемы, фазочувствительный выпрямитель, измерительный усилитель с корректирующим устройством и усилитель мощности.

По принципу действия все акселерометры можно разделить на приборы прямого измерения и компенсационные: чувствительный элемент первых непосредственно передает информацию о входной величине на вторичный преобразователь, и при этом все погрешности измерительного тракта присутствуют в выходном сигнале датчика, а вторые частично или полностью (с интегратором в контуре — астатизм первого порядка) уравновешивают измеряемую величину с помощью главной отрицательной обратной связи (ГООС), т. е. реализуют силовую разгрузку ЧЭ с помощью выходного сигнала, подаваемого на элемент компенсации. В последнем случае точность прибора зависит в основном от элемента компенсации — датчика силы или момента обратной связи. Поэтому к их электронному блоку не предъявляют каких либо особых требований. В приборах прямого измерения, напротив, точность зависит от всех узлов, что приводит к усложнению схемотехники таких конструкций. Таким образом проблема улучшения характеристик (точности, технологичности, массогабаритных показателей) электронных блоков для приборов прямого измерения все еще актуальна.

Несмотря на перекрестную чувствительность, наиболее широко применяемыми ДЛУ в современных навигационных и управляющих системах для всех видов JTA по прежнему остаются традиционные маятниковые акселерометры компенсационного типа с камневыми виброопорами или упругим подвесом инерционной массы. Причем последние имеют существенные преимущества, поскольку у них отсутствует порог чувствительности в традиционном понимании, который можно было бы измерить, а минимальное значение измеряемого ускорения определяется в момент превышения выходным сигналом прибора уровня «шума» сервисной электроники.

Традиционные электронные блоки не подходят для микросистемной техники по многим характеристикам: по массо-габаритным, уровням сигналов, по степени влияния измерительного процесса на результаты измерений. Поэтому необходимо проводить исследования и разработки новых электронных блоков для микросистемных акселерометров. Диссертация выполнялась согласно плана основных научных работ Арзамасского филиала НГТУ по проблеме «Разработка и исследование интегральных датчиков первичной информации» .

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование электронных компонентов с улучшенными метрологическими характеристиками для интегральных датчиков ускорений прямого измерения и компенсационного типа.

Задачи диссертационной работы:

1. Разработка электронных преобразователей и их узлов, встраиваемых в интегральные акселерометры, с целью микроминиатюризации датчиков с одновременным повышением точности.

2. Экспериментальные исследования характеристик электронных блоков в составе интегральных акселерометров для практического подтверждения результатов диссертации.

Объект исследования. Объектом исследования являются: электронные и микроэлектромеханические узлы интегральных акселерометров.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического моделирования, теории систем автоматического управления, физический эксперимент, синтез конструктивных решений и методы схемотехники.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны генераторный емкостный датчик микроперемещений, отличающийся от известных снижением погрешности, за счет введения дополнительных цепей, компенсирующих влияние входных емкостей логического элемента и алгоритма обработки, и дифференциальный емкостный датчик перемещения, отличающийся введением непрерывной электрической отрицательной обратной связи для уменьшения тяжения подвижного электрода.

2. Предложены адаптированные для использования в интегральных датчиках синхронный детектор с коммутируемым конденсатором, отличающийся от известных тем, что можно применить емкости малого номинала и не требуется применение фильтра низких частот, и синхронный детектор, не содержащий емкостей, отличающийся повышенной точностью.

3. Предложен магнитоэлектрический преобразователь силы, в отличие от известных адаптированный для интегрального исполнения без применения моточных работ возвращающей обмотки.

4. Предложены методики и программы обработки экспериментальных данных для исследования статической характеристики акселерометров, впервые позволившие получить на основе измерений погрешности: нуля, крутизны, нелинейности, погрешности установки базы и погрешности от поперечных воздействий в диапазоне температур.

5. Новизна полученных результатов подтверждается патентами РФ на изобретение № 2 218 575,2272297,2 272 298. Практическая ценность работы:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде рекомендаций и расчетных соотношений для проектирования и построения электронных блоков интегральных акселерометров.

2. Разработки электронных блоков для встраивания в интегральные акселерометры серийного изготовления.

3. Методики определения характеристик интегральных акселерометров, в составе которых применены разработанные электронные блоки, позволяют получить основные метрологические параметры приборов.

Реализация в промышленности. Сведения о внедрении результатов диссертационной работы приведены в приложении 5.

Апробация работы. Диссертация и отдельные ее разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и совещаниях:

• На региональной научно-технической конференции «Наука — производству», Н. Новгород, 1998 г.

• На международной молодежной научной конференции «XXV гагаринские чтения», Москва, 1999 г.

• На Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения физических величин», Н. Новгород, 2000 г.

• На Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии», Н. Новгород, 2002 г.

• На расширенном заседании кафедры «Авиационные приборы и устройства» Арзамасского филиала НГТУ в 2003 г.

• На расширенном заседании кафедры «Авиационные приборы и устройства» Арзамасского филиала НГТУ в 2004 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 работ, из них 5 статей, 7 — тезисов докладов на научно-технических конференциях, 3 — патента на изобретение, 1 — методические указания к лабораторным работам.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, четырех приложений, списка литературы и содержит 147 страниц машинописного текста: иллюстраций — 61 (рисунки, схемы, графики), таблиц — 9, список литературы — 76 наименований.

Выводы:

1. Разработана математическая модель статической характеристики, методика обработки экспериментальных данных при нормальных условиях и соответствующая программа для реализации ее на компьютере, что позволило получить расширенную информацию по погрешностям: установки базы и влиянию перекрестных ускорений, а также нелинейностей высших порядков.

2. Разработана методика обработки экспериментальных данных температурной характеристики и соответствующая программа для реализации ее на компьютере, позволившая автоматизировать нахождение температурных коэффициентов смещения нуля и коэффициента крутизны.

3. Разработаны и изготовлены макеты для осуществления экспериментальных исследований их характеристик.

4. Проведены экспериментальные исследования статической характеристики при нормальных условиях и температурной характеристики преобразователя перемещений и его узлов, результаты которых дали близкое совпадение с характеристиками известных устройств (приложение 4).

Список принятых обозначений g — величина ускорения свободного падения;

Ушах ~ Диапазон измеряемых линейных ускоренийти — длительность импульсаcj, c2 — рабочие емкости датчика углаh0 — начальный зазор между обкладкамиh — зазор между обкладкамиаи, Ьи, смдлина, ширина и толщина маятникаап"К > сп ~ длина, ширина и толщина упругого подвеса- 8 — диэлектрическая проницаемость среды;

1 «7 е0 =8,854−10» Ф/м — диэлектрическая постояннаяs — площадь обкладок емкостиW[s) — передаточная функцияs = d/dt — оператор Лапласа;

4 — логарифмический декремент затухания (относительный коэффициент демпфирования);

Дб — погрешность базирования (неортогональность измерительной оси и базовой плоскости) — с — среднеквадратическое отклонение- /вых — выходной ток прибораUBbKвыходное напряжение прибораrh — сопротивление нагрузкиUптнапряжение питанияUоаопорное напряжениесос — собственная частота колебаний упругой системысо — частота вынужденных колебаний;

Vo — скорость перемещения подвижного узлаS — площадь в плане подвижного узлаа — 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 — улинейная скорость ЧЭо = ф — угловая скорость ЧЭG — линейная жесткость подвесаGy — угловая жесткость подвеса;

Км = mljGy — статический коэффициент передачи маятникового ЧЭ- (осм = jJaz — собственная частота маятникового ЧЭЯ — напряженность поляамтемпературный коэффициент изменений магнитной индукции слояATдиапазон изменения температурыа0, аш — температурные коэффициенты магнитной индукции слоеваг, ав — соответственно температурные коэффициенты сопротивления возвращающей обмотки и магнитной индукции зазораРк удельное сопротивление кремния;

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

Ккрутизна выходной характеристики (масштабный коэффициент) — Кп (п — 2,3,4.) — коэффициенты нелинейностейКф Куг — коэффициенты перекрестных связей- 8К — относительная ошибка смещения нулевого уровня;

Umx — выходное напряжение при действии максимального ускоренияЬК[~ относительная ошибка крутизны характеристики;

KT =Umax/amax — теоретическое значение крутизны характеристики;

5- относительная ошибка квадратичной нелинейности;

8к — относительная ошибка кубической нелинейностиt/(0) — выходное напряжение при нулевой частотеt — текущее время.

Заключение

.

1. Разработаны генераторный датчик перемещения для интегрального акселерометра, с повышенной на порядок точностью измерений посредством применения ключевой схемы, переключающей времязадающий резистор, и дополнительных емкостей на входе триггера, и дифференциальный емкостный датчик перемещения с непрерывной электрической обратной связью, в котором повышена точность измерений за счет снижения влияния электростатического тяжения.

2. Разработаны адаптированные для использования в интегральных датчиках синхронный детектор с коммутируемым конденсатором, отличающийся от известных тем, что используемые емкости имеют малый номинал и не требуется применения фильтра низких частот, и оригинальный синхронный детектор, не содержащий емкостей, отличающийся повышенной точностью.

3. Разработан магнитоэлектрический преобразователь силы (момента) для применения в интегральных акселерометрах компенсационного типа с подвесами без металлизированных дорожек, что в конечном итоге повысило точность при одновременном упрощении технологии изготовления ЧЭ.

4. Разработаны методики и программы обработки экспериментальных данных для исследования статической и температурной характеристик акселерометров, впервые позволившие получить на основе измерений погрешности нуля, крутизны, нелинейности, погрешности базы установки и погрешности от поперечных воздействий при заданных температурах.