Интегральный акселерометр

 

Изобретение относится к измерительной технике. Интегральный акселерометр содержит кремниевый чувствительный элемент в виде маятника, который одновременно является подвижным электродом емкостного моста, встроенный электронный блок, а также цепь отрицательной обратной связи, содержащую модулятор, который преобразует постоянное выходное напряжение в переменное и подает его на питание емкостного моста. Кроме того, отношение толщины слоя металлизации неподвижных электродов к величине зазора между проводящим маятником и электродами выполнено в соответствии со следующим соотношением между температурными коэффициентами источника опорного напряжения, модуля упругости кремния, кремния и материала электродов:

где h_м - толщина слоя металлизации электрода; h_кр - величина зазора между проводящим маятником и электродом; α_оп - температурный коэффициент источника опорного напряжения; α_Е - температурный коэффициент модуля упругости; α_кр - температурный коэффициент линейного расширения кремния; α_м - температурный коэффициент линейного расширения материала электрода. Техническим результатом является повышение точности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах.

Известен интегральный акселерометр, подвижный узел (маятник) которого выполнен из проводящего монокремния посредством анизотропного травления [1]. Для выявления перемещений подвижного узла под действием сил инерции с обеих сторон подвижного узла выполнены на непроводящих крышках неподвижные электроды, которые совместно с проводящим подвижным узлом представляют дифференциальные измерительные емкости, включенные по мостовой схеме. Сигнал рассогласования моста является пропорциональным измеряемому ускорению.

Недостатком устройства является низкая точность.

Известен также интегральный акселерометр [2], содержащий кремниевую проводящую пластину, в которой выполнен чувствительный элемент в виде маятника и двух непроводящих крышек, на которых нанесены первый и второй электроды, непроводящие крышки соединены с кремниевой пластиной жестко, а между проводящим маятником и электродом выполнен зазор, положительный источник опорного напряжения, ключевую схему, выходы которой соединены с первым и вторым электродами, усилитель, вход которого соединен с проводящим маятником, а выход соединен с входом демодулятора, выход же демодулятора соединен с входом интегратора, выход интегратора является выходом интегрального акселерометра, тактовый генератор, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы и управляющими входами демодулятора.

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная отсутствием контура отрицательной обратной связи, снижающей погрешность электронных компонентов, и отсутствием согласования размеров чувствительного элемента и температурных коэффициентов сопряженных деталей.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности интегрального акселерометра.

Этот технический результат достигается тем, что в интегральном акселерометре, содержащем кремниевую проводящую пластину, в которой выполнен чувствительный элемент в виде маятника и двух непроводящих крышек, на которых нанесены первый и второй электроды, причем непроводящие крышки соединены с кремниевой пластиной жестко, а между проводящим маятником и электродами выполнен зазор, положительный источник опорного напряжения, ключевую схему, выходы которой соединены с первым и вторым электродами, усилитель, вход которого соединен с проводящим маятником, а выход соединен с входом демодулятора, выход демодулятора соединен с входом интегратора, выход интегратора является выходом интегрального акселерометра, тактовый генератор, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы и управляющими входами синхронного детектора, согласно изобретению введена цепь отрицательной обратной связи, содержащая модулятор, вход которого соединен с выходом интегратора, а с управляющими входами модулятора соединены прямой и инверсный выходы тактового генератора, первый сумматор, содержащий два неинвертирующих входа, первый неинвертирующий вход которого соединен с выходом положительного источника опорного напряжения, а второй неинвертирующий вход - с выходом модулятора, второй сумматор, первый инвертирующий вход которого соединен с выходом положительного источника опорного напряжения, а второй неинвертирующий вход соединен с выходом модулятора, выход первого сумматора соединен с первым входом ключевой схемы, а выход второго сумматора соединен со вторым входом ключевой схемы.

Кроме того, в интегральном акселерометре согласно изобретению отношение толщины слоя металлизации электродов к величине зазора между проводящим маятником и электродами выполнено в соответствии со следующим соотношением между температурными коэффициентами источника опорного напряжения, модуля упругости кремния, линейного расширения кремния и материала электродов:

где h_м - толщина слоя металлизации электрода; h_кр - величина зазора между проводящим маятником и электродом; α_оп - температурный коэффициент источника опорного напряжения; α_Е - температурный коэффициент модуля упругости; α_кр - температурный коэффициент линейного расширения кремния; α_м - температурный коэффициент линейного расширения материала электрода.

К существенным отличиям заявленного интегрального акселерометра относится введение в его цепь отрицательной обратной связи дополнительных элементов в виде двух сумматоров и модулятора, а кроме того, выполнение оптимальных соотношений между размерами и коэффициентами температурных расширений деталей, входящих в чувствительный элемент интегрального акселерометра, чем достигается повышение его точности.

Для доказательства заявляемых характеристик акселерометра рассмотрим его математическую модель в виде передаточной функции. С учетом передаточных функций отдельных звеньев полная передаточная функция заявляемого акселерометра имеет вид:

где

- коэффициент крутизны статической характеристики акселерометра; m - масса маятника; l_цм- плечо маятника; - угловая жесткость подвеса маятника; а_п b_п, с_п - соответственно длина, ширина и толщина упругого подвеса; _[100] - модуль упругости кремния по направлению 100; h=h_кр-h_м - зазор между подвижным и неподвижным электродами чувствительного элемента; h_кр - доля зазора, обусловленная снижением толщины кремниевого маятника посредством анизотропного травления; h_м - толщина слоя металлизации неподвижного электрода; - постоянная времени акселерометра; J - момент инерции маятника; - относительный коэффициент углового демпфирования маятника; τ - постоянная времени интегратора в прямой цепи акселерометра.

Из (3) видно, что статическая погрешность акселерометра определяется отдельными погрешностями, входящими в коэффициент крутизны (4) статической характеристики. Дифференцируя коэффициент крутизны по параметрам, входящим в него, и суммируя относительные частные погрешности, найдем полную погрешность заявляемого устройства:

где α_оп, α_Е, α_кр, α_м - температурные коэффициенты соответственно источника опорного напряжения, модуля упругости, линейного расширения кремния и линейного расширения металла неподвижного электрода; ΔТ - диапазон температур.

Требуя нулевой погрешности, найдем необходимое условие между размерами и температурными коэффициентами, которое необходимо выполнить для достижения заявляемых характеристик акселерометра:

Таким образом, при выполнении акселерометра в соответствии с заявляемым изобретением его передаточная функция имеет вид (3), а статический коэффициент крутизны вид (4), откуда получаем математическое выражение (6), используемое в существе изобретения.

Заявляемый интегральный акселерометр иллюстрируется чертежом, где цифровыми позициями обозначены следующие узлы: положительный источник 1 опорного напряжения; первый сумматор 2; второй сумматор 3; тактовый генератор 4; ключевая схема 5; чувствительный элемент 6, усилитель 7 заряда; демодулятор (синхронный детектор) 8; интегратор 9; модулятор 10.

В статическом состоянии перечисленные узлы имеют следующие связи. Чувствительный элемент 6 выполнен в виде маятника и двух непроводящих крышек, на которых нанесены первый и второй электроды, причем непроводящие крышки соединены с кремниевой пластиной жестко, а между проводящим маятником и электродами выполнен зазор. Выход положительного источника 1 опорного напряжения соединен с неинвертирующим входом первого сумматора 2 и одновременно с инвертирующим входом второго сумматора 3. Вторые неинвертирующие входы первого 2 и второго 3 сумматоров соединены с выходом модулятора 10. Выходы первого 2 и второго 3 сумматоров соединены с первым и вторым входами ключевой схемы 5, а выходы ключевой схемы 5 соединены с первым и вторым неподвижными электродами маятникового чувствительного элемента 6. В свою очередь подвижный электрод маятникового чувствительного элемента 6 соединен со входом усилителя 7 заряда, а выход усилителя 7 заряда - со входом демодулятора 8, выход которого соединен со входом интегратора 9.

Выход интегратора 9 является выходом устройства и одновременно соединен со входом модулятора 10. Прямой и инверсный выходы тактового генератора 4 соединены с прямым и инверсным управляющими входами ключевой схемы 5 и одновременно с прямым и инверсным управляющими входами демодулятора 8 и модулятора 10.

Принцип его действия основан на выявлении угловых отклонений маятника 6, который одновременно является подвижным проводящим электродом чувствительного элемента. Угловые отклонения маятника 6 являются прямо пропорциональными действующим на маятник 6 линейным ускорениям j. На неподвижные электроды чувствительного элемента подается переменное напряжение с ключевой схемы 5, амплитуда которого равна величине опорного напряжения. Две емкости, образованные между подвижным проводящим электродом (маятником) и неподвижными электродами на крышках, представляют дифференциальные измерительные емкости С₁ и С₂. Напряжение рассогласования баланса емкостного моста, выделяемое между средней точкой измерительных емкостей и "землей", усиливается усилителем 7, выпрямляется знакочувствительным демодулятором 8, интегрируется интегратором 9 и подается по цепи обратной связи на модулятор 10. Модулятор 10 выполняет функции, обратные функциям демодулятора, т.е. постоянное выходное напряжение устройства, пропорциональное измеряемому ускорению, снова преобразует в переменное, амплитуда которого также пропорциональна измеряемому ускорению j. В переменном виде напряжение модулятора суммируется с прямым и инверсным напряжениями опорного источника и через ключевую схему 5 снова подается на питание измерительных емкостей.

Формула изобретения

1. Интегральный акселерометр, содержащий кремниевую проводящую пластину, в которой выполнен чувствительный элемент в виде маятника и двух непроводящих крышек, на которых нанесены первый и второй электроды, причем непроводящие крышки соединены с кремниевой пластиной жестко, а между проводящим маятником и электродами выполнен зазор, положительный источник опорного напряжения, ключевую схему, выходы которой соединены с первым и вторым электродами, усилитель, вход которого соединен с проводящим маятником, а выход соединен с входом демодулятора, выход демодулятора соединен с входом интегратора, выход интегратора является выходом интегрального акселерометра, тактовый генератор, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами ключевой схемы и с управляющими входами демодулятора, отличающийся тем, что в интегральный акселерометр введена цепь отрицательной обратной связи, содержащая модулятор, вход которого соединен с выходом интегратора, а с управляющими входами модулятора соединены прямой и инверсный выходы тактового генератора, первый сумматор, содержащий два неинвертирующих входа, первый неинвертирующий вход которого соединен с выходом положительного источника опорного напряжения, а второй неинвертирующий вход - с выходом модулятора, второй сумматор, первый инвертирующий вход которого соединен с выходом положительного источника опорного напряжения, второй неинвертирующий вход, соединенный с выходом модулятора, выход первого сумматора соединен с первым входом ключевой схемы, а выход второго сумматора соединен со вторым входом ключевой схемы.

2. Интегральный акселерометр по п.1, отличающийся тем, что в нем отношение толщины слоя металлизации электродов к величине зазора между проводящим маятником и электродами выполнено в соответствии со следующим соотношением между температурными коэффициентами источника опорного напряжения, модуля упругости кремния, линейных расширений кремния и материала электродов

где h_м - толщина слоя металлизации электрода;

h_кр - величина зазора между проводящим маятником и электродом;

α_оп - температурный коэффициент источника опорного напряжения;

α_Е - температурный коэффициент модуля упругости;

α_кр - температурный коэффициент линейного расширения кремния;

α_м - температурный коэффициент линейного расширения материала электрода.

РИСУНКИ

Рисунок 1