CC BY
162
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОЙ ПАТЕНТНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО МИКРОМЕХАНИЧЕКИМ АКСЕЛЕРОМЕТРАМ А.Ю. Буданова, В.А. Крылов Научный руководитель - д.т.н., профессор В.Л. Ткалич
В статье проведен анализ отечественных и зарубежных работ по микромеханическим акселерометрам, который позволил определить основные направления исследований по повышению точности работы данных устройств. По итогам патентно-информационного поиска выявлена высокая актуальность дальнейшего развития микромеханических чувствительных элементов, а также определена перспективность теоретического исследования акселерометров еще на стадии проектирования.
Введение
Микромеханический акселерометр (ММА) - это чувствительный элемент, широко используемый в различных системах ориентации, стабилизации, наведения и навигации. Несмотря на то, что основным назначением ММА является измерение ускорения, эти датчики способны также измерять наклон, движение, положение, силу ударов и вибрацию. ММА используются в производстве компьютерной, строительной, геодезической и медицинской продукции. Изделия на базе микротехнологий становятся предметами повседневной жизни. Их все больше применяют в средствах обеспечения жизнедеятельности человека - от систем безопасности и биоконтроля до аппаратуры автоматизации дома, промышленного контроля, мониторинга окружающей среды и, конечно, бытовой техники и развлекательных систем [1].
В основу работы чувствительного элемента (ЧЭ) инерционных ММА могут быть положены различные физические эффекты: емкостной, пьезорезистивный, пьезо- и сегнетоэлектрический, электромагнитный, оптический, туннельный.
В простейших инерционных ММА применяют ЧЭ, реализующие принцип емкостного преобразования Преимущества емкостного метода измерений состоят в следующих факторах:
• высокая линейность;
• высокая чувствительность;
• легко осуществимая самокалибровка и самотестирование;
• легкая реализация цепей обратной связи;
• совместимость с КМОП-технологией;
• широкий диапазон рабочих температур.
По принципу действия ММА можно разделить на приборы прямого преобразования (1111) и компенсационного (КП) (табл. 1). Чувствительный элемент ММА 1111 непосредственно передает информацию о входной величине на корректирующее звено, и при этом все погрешности измерительного тракта присутствуют в выходном сигнале датчика (рис. 2). ММА КП частично или полностью уравновешивают измеряемую величину с помощью отрицательной обратной связи (ООС), 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. В приборах прямого измерения, напротив, точность зависит от всех узлов, что приводит к усложнению схемотехники таких конструкций [2, 3].
Нормируемыми характеристиками ММА, как правило, являются резонансная частота, диапазон входного преобразуемого сигнала, уровень шума, осевая чувствительность, дрейф, линейность, динамический диапазон характеристики преобразования, устойчивость к ударным воздействиям, мощность потребления, температурный диапазон. Целью данной статьи является проведение патентного поиска и анализа по основным
усовершенствованиям ММА за период 2000-2007 гг. и выявление основных направлений исследований по модернизации этого устройства.
_По принципу действия_
прямого преобразования
компенсационного преобразования
I
§
Конструкция балочного акселерометра без обратной связи
Конструкция гибридного акселерометра с магнитоэлектрической обратной связью
тип обратной связи
электростатическая магнитоэлектрическая
По типу чувствительного элемента
осевой ММА
маятниковый ММА
АН
мк
А АН
Принципиальная схема ЧЭ
Принципиальная схема ЧЭ
вид измеряемого движения
линейные ММА
угловые ММА
Принципиальная схема ЧЭ ММА с двумя _режимами работы_
тип основания
на колеблющемся основании
на поступательно перемещающемся основании
Таблица 1. Классификация микромеханических акселерометров
1. Изменение конструкции рамки чувствительного элемента ММА
Рассмотрим микромеханический акселерометр с чувствительным элементом маятникового типа (см. таблицу 1). Известно, что чувствительность конструкции к контактным напряжениям определяется площадью контакта и удаленностью места заделки упругого подвеса от силового контакта:
а^ = (1)
Р Уо I г '
где V - коэффициент Пуассона; Р - давление на контакт; г - расстояние от точки приложения сосредоточенной силы до заданного сечения; £ - площадь контакта упоров; у0 - толщина упора; а^ - напряжение в ] -м месте стыка упругих подвесов и упоров.
Недостатком известных устройств [4, 5] является нестабильность смещения нуля вследствие высокого уровня контактных напряжений, возникающих в местах крепления упоров, следовательно, снижается точность прибора в целом. Для повышения точности прибора необходимо уменьшить нестабильность нуля за счет снижения влияния контактных напряжений, а)
Рис. 1. Принципиальная схема ЧЭ ММА: а - патент РФ № 2284528; б - патент РФ № 2265856. 1 - ЧЭ маятникового типа; 2 - упругие подвесы;
3 - рамка ЧЭ; 4 - упоры; 5 - изгибы рамки
Согласно изобретению [6], рамка чувствительного элемента на участках между упорами, а также на участках между упорами и упругим подвесом выполнена в форме меандра с количеством изгибов п, при этом внешний и внутренний изгибы меандра одинаковы и симметричны относительно продольной оси симметрии чувствительного элемента, а ширина рамки постоянна (рис. 1, а). Меандр строго симметричен относительно продольной оси симметрии чувствительного элемента, тем самым увеличивается расстояние от мест крепления упоров до упругого подвеса, а габаритные размеры чувствительного элемента остаются неизменными, и, следовательно, исходя из выражения (1), уменьшается влияние контактных напряжений на упругий подвес. Количество изгибов определяется разрешающей способностью литографии и анизотропного травления, а также ориентацией исходной пластины. На рис. 1, б представлен вариант с 4 изгибами [7]. Кроме того, рамка равномерно деформируется под воздействием внешних факторов, а симметричное расположение компенсирует до минимума вредные воздействия.
2. Использование систем терморегулирования в ММА
Практически все типы инерциальных датчиков чувствительны к изменениям температуры окружающей среды, что приводит к температурному дрейфу нуля и изменению чувствительности. Этот недостаток присущ и ММА. Эффективным методом уменьшения влияния температуры окружающей среды является введение систем стабилизации температуры (ССТ) микромеханического ЧЭ.
Для уменьшения температурной погрешности акселерометров применяют методы термокомпенсации или термостатирования.
Метод термокомпенсации заключается в том, что сигнал акселерометра корректируется сигналом от датчика температуры по какому-либо закону. Термокомпенсация может быть программной или аппаратной.
- Специальные нагревательные элементы, способные рассеивать мощность в датчиках. Например, в ММА [8] введен резистивный нагревательный элемент, который позволяет за счет ручной регулировки уменьшить градиенты температуры в этом ЧЭ в начальные моменты времени после включения, однако не обеспечивает стабилизации температуры ММА. Соответственно, недостатком устройства [8] является снижение точности чувствительного элемента при изменениях температуры окружающей среды. В процессе работы дополнительно рассеивается мощность на регулировочном резисторе, поскольку резистивный нагреватель является нелинейным элементом. При линейном изменении тока через резистивный элемент рассеиваемая на нем мощность изменяется по квадратичному закону. Наличие в замкнутом контуре системы регулирования такого нелинейного элемента существенно снижает как статические, так и динамические характеристики системы. Также недостатком является использование пассивной ССТ (ручная настройка, выполняемая один раз).
- В изобретении [9] используется встроенная система стабилизации с корректирующим звеном для автоматического управления нагревательным элементом. На рис. 2 приведена блок-схема устройства стабилизации температуры ЧЭ. Датчик температуры 3 преобразует температуру чувствительного элемента 1 в электрический сигнал, который корректирующим звеном 4 усиливается и преобразуется в сигнал управления нагревательным элементом 2. Нагревательный элемент 2 изменяет рассеиваемую в чувствительном элементе 1 мощность в зависимости от сигнала датчика температуры 4 и поддерживает температуру чувствительного элемента 1 постоянной.
В рассмотренном патенте [9] при использовании в качестве нагревателей транзисторов типа КТ814 было получено уменьшение влияния температуры окружающей среды в 30 раз. Это обусловлено тем, что при симметричном размещении нагревательных элементов по периферии датчика температуры достигается стабилизация средней по объему чувствительного элемента температуры. Подобное расположение нагревательных элементов и датчика температуры обеспечивает стабилизацию средней температуры всего кристалла кремния, в котором реализован ЧЭ датчика. Теплоизоляция ЧЭ реализуется при помощи теплоизолирующего основания и использования теплоизолирующей крышки, что позволяет снизить потребляемую при стабилизации температуры мощность и тем самым повысить экономичность устройства.
При использовании метода термостатирования акселерометр нагревается до заданной температуры статирования, которая в течение работы поддерживается постоянной. Для уменьшения температурной погрешности ММА ADXL105 используется метод термостатирования. Разработчиками Analog Devices Inc [10] предлагается ССТ, представленная на рис. 3.
Рис. 2. Блок-схема устройства стабилизации температуры
КЗ УУ НЭ от ДТ
У ^ 1 г
Рис. 3. Функциональная схема системы стабилизации температуры
Термокомпенсация Термостатирование
Аппаратная Программная
Недостатки - Нелинейная - Высокая - Увеличение потребляемой
зависимость стоимость мощности
выходного на- - Увеличение - Увеличение времени готов-
пряжения ак- габаритов ности акселерометра
селерометра
от напряжения
с датчика тем-
пературы
- Гистерезис
Достоинства - Готовность датчика к работе - Исключается гистерезис
сразу после включения и нелинейность датчика
- Низкое потребление тока вклю-
чения
Таблица 2. Достоинства и недостатки систем регулирования температуры в микромеханических акселерометрах
Система стабилизации температуры включает в себя датчик температуры (ДТ), задающее устройство (ЗУ), корректирующее звено (КЗ), нагревательный элемент (НЭ), усилительное устройство (УУ) и объект термостатирования (ОТ). При создании ССТ выбор типа и места установки ДТ и НЭ является, как правило, самой сложной задачей. Датчик температуры в акселерометре АОХЬ105 встроен, а для НЭ имеется только одна верхняя поверхность. Использование термостатирования позволило уменьшить дрейф нуля акселерометра. Корректировка сигнала акселерометра при изменении температуры на 35°С позволила уменьшить температурный дрейф термостабилизированного ММА в 2 раза. Вышеперечисленные методы уменьшения температурной погрешности имеют свои достоинства и недостатки, которые отражены в табл. 2.
3. Изменение конструкции чувствительного элемента ММА
Рассмотрим ММА с подвесом маятника, разработанного в Draper Laboratory (США). Маятник 1 (рис. 4) представляет собой прямоугольную в плане пластину постоянной толщины, подвешенную на паре торсионных упругих элементов 2. Маятниковый эффект достигается асимметрией подвеса пластины на торсионах. Под пластиной размещена пара электродов 4, изменение емкости которых происходит при вращении пластины на торсионах при действии ускорения. Под пластиной размещены также электроды 3 контура компенсации [2, 11]. Также в [12] представлена конструкция ММА, содержащая маятниковый ЧЭ, имеющий два плеча.
В представленных конструкциях ось симметрии фигуры инерционной массы не совпадает с осью, проходящей через торсионы подвеса, что не обеспечивает симметричность элементов емкостной системы съема перемещений и элементов электростатического датчика момента по отношению к его поверхности инерционной массы, обращенной к электронной плате. При этом не симметрируются так называемые «паразитные» электрические емкости. Это оказывает влияние на изменение уровня нулевого сигнала емкостной системы съема перемещений, а также на изменение ее масштабного коэффициента.
В ММА [12] маятниковый подвес обеспечен путем смещения оси симметрии фигуры инерционной массы относительно оси подвеса, проходящей через его торсионы, при этом на внешней, по отношению к электрической плате, стороне большего плеча инерционной массы размещается дополнительный груз, увеличивающий общую массу, увеличивая тем самым изгибные деформации торсионов подвеса по «паразитным» степеням свободы при линейных перегрузках. В результате снижается устойчивость и прочность ММА к линейным перегрузкам и механическим ударам.
Для устранения вышеперечисленных недостатков разработчики ММА [13] выполнили ось симметрии фигуры инерционной массы, которая совпадает с осью, проходящей через торсионы подвеса. Маятниковый подвес обеспечивается удалением массы на внешней стороне одного плеча инерционной массы. На ней сделаны углубления, при этом для обеспечения высокой жесткости на изгиб и кручение указанного плеча его поверхность выполнена с ребрами жесткости (рис. 5). Совмещение оси симметрии фигуры инерционной массы с осью, проходящей через торсионы подвеса, обеспечивает симметричность элементов емкостной системы. При этом симметрируются так называемые «паразитные» электрические емкости, что позволяет снизить их влияние на изменение уровня нулевого сигнала емкостной системы съема перемещений, а также на изменение ее масштабного коэффициента.
Выполнение маятникового подвеса удалением части массы со стороны одного плеча инерционной массы снижает ее массу, уменьшая тем самым изгибные деформации торсионов подвеса по «паразитным» степеням свободы при линейных перегрузках.
В результате повышается устойчивость и прочность ММА к линейным перегрузкам и механическим ударам. Выполнение плеча инерционной массы с ребрами жесткости также снижает ее изгибные и крутильные деформации при перегрузках.
3 - корпус; 4 - электрическая плата; 5,6 - электроды; 7 - углубления;
8 - ребра жесткости
Заключение
Материалы российских журналов («Микросистемная техника», «Датчики и системы») и информационные материалы зарубежных сайтов [10, 14, 15] отражают новейшие разработки и способы производства интегральных датчиков для различных областей техники. В настоящее время разработчики стремятся повысить точность и чувствительность микромеханических акселерометров. Проведенный патентный поиск и последующий анализ усовершенствований ММА позволил выделить основные направления исследования данных устройств:
• изменение конструкции ММА;
• введение устройств стабилизации температуры ММА.
В результате анализа отечественных и зарубежных работ по микромеханическим акселерометрам и проведенного патентно-информационного поиска выявлена высокая актуальность дальнейшего развития интегральных датчиков на базе МЭМС-технологии.
Литература
1. Гольцева М. Юдинцев В. МЭМС - Здесь, там, везде. Большие рынки малых устройств // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2007. - № 1. - С.114-119.
2. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. - М.: Машиностроение, 2007. - 400 с.
3. Долгов А.Н. Электронные блоки для интегральных акселерометров прямого измерения и компенсационного типа: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.11.03 / Долгов А.Н. - Нижний Новгород, 2006. -16 с.
4. Пат. № 2047863, РФ, Чувствительный элемент акселерометра. Баженов В.И. Вдовен-ко И.В. и др. Дата подачи заявки 1994.03.15. Дата публикации 1995.11.10.
5. Пат. № 2020484, РФ. Маятниковый компенсационный акселерометр с упругим подвесом. Горбачев Н.А., Рязанов В.А. Дата подачи заявки 1991.03.01. Дата публикации 1994.09.30.
6. Пат. № 2284528, РФ. Микромеханический датчик линейных ускорений. Миронов С.Г., Горинов С.А. Дата подачи заявки 2005.04.04. Дата публикации 2006.09.27.
7. Пат. № 2265856, РФ, G01P15/08. Микромеханический датчик линейных ускорений. Паршин В.А., Миронов С.Г., Горинов С.А. Дата подачи заявки 2004.07.06. Дата публикации 2005.12.10
8. Пат. № 2120639, РФ. Акселерометр. Курносов В.И., Андрюхин А.И. Дата подачи заявки 2002.06.18 Дата публикации 2005.10.20
9. Пат. № 2244936, РФ. Устройство стабилизации температуры микромеханического чувствительного элемента. Некрасов Я. А. Дата подачи заявки 1999.11.30. Дата публикации 2005.01.20
10. Сайт компании Analog Devices Inc. - Режим доступа: http://www.analog.com, свободный. - Загл. с экрана.
11. Сайт компании Draper Inc.- Режим доступа: http://www.draper.com/mems, свободный. - Загл. с экрана.
12. Захаров Н.П., Багдарасян А.В. Механические явления в интегральных структурах. -М.: Радио и связь, 1992. - С.72-75.
13. Пат. № 2251702, РФ. Микромеханический акселерометр. Тимошенков С.П., Рубчиц В.Г., Калугин В.В. и др. Дата подачи заявки 2004.07.02. Дата публикации 2005.05.10
14. Сайт компании Databeans - Режим доступа: http://www.databeans.net, свободный. -Загл. с экрана.
15. Сайт компании Freeescale Inc. - Режим доступа: http://www.freescale.com, свободный. - Загл. с экрана.
