Исследование микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

им. В.И. Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ)

 

Направление 200100.62

 

Кафедра ЛИНС

 

 

К защите допустить:

Руководитель направления

 

 

 

ВЫПУСКНАЯ

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

 

 

 

Тема: Исследование микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах

 

 

 

 

 

Студент		Шкурко Д.В.		/                                 /
Руководитель		Шевченко С.Ю.		/                                 /
Зав. кафедрой		Филатов Ю.В.		/                                 /

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

 

2013  г.

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………..3

Глава 1. Анализ существующих акселерометров…………………………….10

1. Классификация ММА…………………………………………………….10
1. По наличию обратной связи……………………………………………..12
2. По характеру перемещения инерционной массы………………………13
3. По способу съема выходного сигнала…………………………………..19

Глава 2. Моделирование ЧЭ с прямоугольной формой консоли……………30

Глава 3. Экспериментальные исследования…………………………………..42

3.1. Описание экспериментального макета…………………………………….42

3.2. Градуировка ММА на ПАВ в гравитационном поле Земли…………….44

3.3. Оценка чувствительности микромеханического акселерометра (ММА) к ускорениям больше 1g………………………………………………………….47

3.4. Оценка влияния гравитационных сил на чувствительный элемент (ЧЭ) ММА при действии ускорения ортогонально оси чувствительности……….51

 

 

Заключение……………………………………………………………………….54

Литература……………………………………………………………………….55

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

На сегодняшний день одним из важнейших направлений развития микросистемной техники является разработка микромеханических датчиков и систем. Микромеханические акселерометры (ММА) – перспективные приборы современной микросистемой техники, интенсивно и динамично развивающегося научно-технического направления. Микромеханические акселерометры характеризуются уникально малыми массой и габаритами, низким потреблениям электроэнергии, возможностью функционирования в жестких условиях эксплуатации и на несколько порядков меньшей стоимостью, чем их традиционные аналоги. Определенные перспективы открываются при переходе к специфическому классу приборов и систем, использующих свойства поверхностных акустических волн (ПАВ) в пьезоэлектриках. Их основным элементом являются линии задержки и резонаторы, свойства которых зависят от измеряемых параметров движения. Исключительная простота кинематической схемы и высокий уровень конструктивной интеграции создают предпосылки для повышения точностных характеристик, уменьшения общих габаритов и существенного уменьшения общей стоимость их производства. Поэтому разработка датчиков на ПАВ представляется актуальной.

Целью работы является оценка характеристик микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах.

Объектом исследования является микроакселерометр на ПАВ.

Для достижения поставленной цели в дипломной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ существующих микроакселерометров.
2. Градуировка ММА на ПАВ в гравитационном поле Земли.
3. Оценка влияния ускорения на смещение частоты ПАВ-резонатора.

 

4. Оценка чувствительности микромеханического акселерометра (ММА) к ускорениям больше 1g.
5. Оценка влияния гравитационных сил на чувствительный элемент (ЧЭ) ММА при действии ускорения ортогонально оси чувствительности.

 

Акселерометры реагируют на ускорение, действующее на чувствительный элемент датчика. Ускорение, статическое или динамическое, возникает под действием силы, ускоряющей датчик, например, вследствие действия гравитации. Следовательно, акселерометры могут применяться для измерения силы, ускорения, вибрации, движения или перемещения, а также положения и угла наклона. Линейка однокристальных интегральных акселерометров компании Analog Devices Inc. (ADI), выполненных по технологии iMEMS, покрывает практически все области применения устройств подобного типа — от систем управления автомобильными подушками безопасности до сотовых телефонов [1].

Области применения акселерометров определяются их основными параметрами, а также их соотношением. Важнейшими параметрами акселерометра являются диапазон измеряемых ускорений, чувствительность, выражаемая обычно как отношение сигнала в вольтах к ускорению, нелинейность в процентах от полной шкалы, шумы, температурные дрейфы нуля (смещения) и чувствительности. Благодаря этим качествам они нашли свое применение во множестве отраслей:

• военная и гражданская авиация;
• автомобилестроение;
• аэрокосмическое приборостроение;
• робототехника;
• военная промышленность;
• нефтяная и газовая промышленность;
• спорт;
• медицина.

 

В ряде случаев существенной характеристикой оказывается собственная частота колебаний сенсора ω0 или резонансная частота ƒ0, определяющая рабочую полосу частот датчика. В большинстве применений важны температурный диапазон и максимально допустимые перегрузки — характеристики, связанные с условиями эксплуатации датчиков.

Определяющими параметрами, влияющими на точность определения ускорения, являются дрейфы нуля и чувствительности (в основном температурный), а также шумы датчика, ограничивающие порог разрешения устройства. Чувствительность датчика зависит от резонансной частоты механической подсистемы, а также качества электронного преобразователя.

Изменение чувствительности с температурой связано в основном с изменением коэффициента упругости. Температурный дрейф нуля обусловлен изменением коэффициента упругости, тепловым расширением и технологическими погрешностями изготовления сенсора. Изменение параметров электронной части датчика под действием температуры, как правило, существенно меньше.

Поскольку акселерометр измеряет ускорение или силу, вызывающую ускорение инерционной массы, физическая модель акселерометра представляет собой инерционную массу, подвешенную на пружине, закрепленной в неподвижном корпусе, - простую систему с одной степенью свободы x в направлении измерительной оси (рис.а). Инерционная масса приобретает ускорение под действием ускоряющей силы (равнодействующей силы инерции при воздействии ускорения), пропорциональной массе m и ускорению a:

 

                                                       F = ma.                                                  (1)           

 

 

     

Рис. 1. Физическая модель акселерометра:

а – конструкция физической модели: 1 – неподвижный корпус; 2 – пружина, закрепленная в корпусе; 3 – инерционная масса; б – силы, действующие на модели.

 

Сила упругости (жесткости) пружины в этой модели уравновешивает перемещение инерционной массы m относительно корпуса:

                                                        F = kx,                                                (2)

где k – жесткость пружины, х – перемещение массы относительно исходной точки.

Из формул (1) и (2) следует, что

а = x(k/m),

где k/m – конструктивный параметр датчика.

В соответствии с данной моделью в основе классификации акселерометров лежит различие в способах получения электрического сигнала при детектировании движения инерционной массы.

Согласно физической модели (рис. 1) функциональное назначение акселерометра и линейность предполагают получение линейной передаточной характеристики — зависимости выходного напряжения от детектируемого ускорения преимущественно в аналоговом или ШИМ-формате (рис. 2).

 

Рис. 2. Передаточные характеристики акселерометра: а — линейная выходная характеристика: а, g — детектируемое ускорение; amin, amax — амплитудные значения колебаний ускорения; Gmax = amin + amax — максимальный диапазон; U — выходное напряжение; UClampHigh, UClampLo — ограничивающие уровни; U0q — среднеквадратическое напряжение; 1 — униполярная выходная характеристика; 2 — инвертированная униполярная выходная характеристика; б — ШИМ-выходная характеристика: a — детектируемое ускорение; amin, amax — амплитудные значения колебаний ускорения; Gmax — максимальный диапазон; tmin, t50%,  tmax — длительности импульсов (tmin — минимальная длительность при минимальном ускорении, t50% — длительность импульса, соответствующая 50%-ному рабочему циклу при нулевом ускорении, tmax — максимальная длительность при максимальном ускорении); ТШИМ и fШИМ — постоянные значения периода и частоты ШИМ-сигнала.

 

В соответствии с данным определением основными рабочими характеристиками акселерометров принимаются:

• максимально детектируемый диапазон ускорений a (полная шкала) Gmax, равный пиковому размаху детектируемых амплитудных значений amax и amin;
• динамический диапазон амплитуды — отношение максимального диапазона измерений к шумам;
• чувствительность — изменение выходного сигнала, например аналогового напряжения, за единицу изменения в ускорении:

 

• среднеквадратическое напряжение U0q — среднее из ограничительных уровней выходного сигнала UClampLow, UClampHigh (аналогично определяется среднеквадратический рабочий цикл);
• смещение нуля — отклонение по оси выходного сигнала (U), соответствующее нулевому значению ускорения (0g);
• дрейф чувствительности — вариации чувствительности, не являющиеся функцией измеренной переменной, например в зависимости от температуры T, отличной от комнатной температуры (температурный дрейф).
• дрейф смещения — отклонение среднеквадратического напряжения U0q от теоретического значения в полном диапазоне, например вследствие влияния температуры T по сравнению с температурой в 25 °C.
• нелинейность — максимальное отклонение выхода от идеально прямой линии графика ускорения в зависимости от выхода, выраженное в процентах от полной шкалы.
• рабочий частотный диапазон ƒ;
• резонансная частота ƒ0 или ω;
• разрешение — самый малый уровень g, который способен измерить акселерометр (преимущественно определяемый шумами и рабочей шириной полосы частот);
• число измерительных осей;
• поперечная осевая чувствительность — процентное выражение поперечного ускорения (или действующего под углом 90°), отображаемого на выходе акселерометра (у идеального акселерометра поперечная чувствительность равна нулю);
• масса (малая в сравнении с детектируемой системой);
• рабочий температурный диапазон T;
• чувствительность к акустическим шумам;
• коэффициент демпфирования (затухания колебаний).

 

 

Глава 1. Анализ существующих акселерометров.

 

1. Классификация ММА.

 

При построении современных микромеханических акселерометров используются те же концепции, которые уже отобраны на их микроаналогах, однако их конструктивная реализация, определяемая особенностями микротехнологий, имеет принципиальные отличия.

При всем имеющемся многообразии современных ММА концепции их построения можно условно разделить на несколько основных групп по признакам, которые приведены на рис. 3. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. По наличию обратной связи.

 

Компенсационные (с обратной связью)

В этих приборах осуществляется автоматическое уравновешивание силы инерции ЧЭ другой силой, которую можно создать и измерить с необходимой точностью. Акселерометры подобного типа представляют собой измерительную систему с отрицательной обратной связью, которая позволяет уменьшить значение относительной погрешности.

Рассмотрим структурную схему компенсационного акселерометра, показанную на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема компенсационного акселерометра.

 

На ней акселерометр 1 охвачен отрицательной обратной связью. Передаточный коэффициент системы запишем в виде:

 

                                

,                                     (3)

где K1 и K2 - передаточные коэффициенты звеньев прямой и обратной связи соответственно.

Если на выходах звеньев 1 и 2 имеются погрешности ΔX1 и ΔX2, то при отсутствии входного сигнала (Xвх = 0) результирующая погрешность на выходе

 

                               

.                                     (4)

Разделив левую и правую части уравнения (4) на Xвых , получим величину относительной ошибки:

 

,

где К1 = ΔX1/Xвых; К2 = ΔX2/Xос - относительные погрешности звеньев 1 и 2.

Соответствующим выбором коэффициентов K1 и K2 можно управлять значением результирующей ошибки δ. Обеспечив K1K2 >>1, получим δ » –δ2.

Таким образом, ошибка прямого канала (звено 1) оказалась исключенной, а суммарная ошибка теперь определяется только ошибкой канала обратной связи (звено 2), которую в общем случае можно сделать достаточно малой.

Сразу же отметим, что уменьшение результирующих ошибок акселерометра достигается ценой снижения его чувствительности, которая пропорциональна коэффициенту передачи акселерометра. Из выражения (3) видно, что всегда K < K1, т. е. в компенсационной схеме коэффициент передачи акселерометра уменьшается при введении отрицательной обратной связи.

 

2. По характеру перемещения инерционной массы (ИМ).

 

а) Маятниковый акселерометр

Конструктивная схема микромеханического акселерометра маятникового типа приведена на рис. 5, инерционная масса с опорным элементом и торсионами на рис. 6.

 

Рис. 5 Конструктивная схема микромеханического акселерометра

маятникового типа:

1 – корпус; 2 – инерционная масса; 3 – торсионы; 5 – неподвижные электроды; 6 –  опорный элемент; 7 – диэлектрическая  крышка.

 

Рис. 6 Пространственная модель инерционной массы.

 

Микромеханический акселерометр представляет собой капсулированный элемент, образованный корпусом 1, выполненным в виде платы из диэлектрического материала с напыленными на ней неподвижными электродами 5 емкостного датчика угла и электростатического датчика момента и диэлектрической крышки 7. Крышка скреплена с корпусом 1.

Основой акселерометра является монокристаллический кремневый элемент – маятник размерами 0,8x1,0x0,015. Инерционная масса 2 подвешена с зазором на плате в виде маятника на упругих перемычках – торсионах 3 за опорный элемент 6. Торсионы представляют собой устройство демпфирования сечением 12х15 мкм, которое позволяет инерционной массе останавливаться при полном диапазоне колебаний, защищая устройство от механического удара.  Инерционная масса, торсионы и опорный элемент выполнены в форме прямоугольника, на поверхности которого равномерно распределены сквозные отверстия.

Напыленные электроды емкостного датчика угла и электростатического датчика моменты выполнены единым элементом и в совокупности представляют собой электронную схему обработки сигналов.

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х инерционная масса 2 отклоняется от своего исходного состояния. При этом изменяются величины емкостей конденсатора, образованного неподвижными электродами 5 и инерционной массой 2. Съем информации производится с помощью емкостного датчика перемещений. Сигнал отклонения преобразуется электронной схемой и приводит к возникновению электростатического момента, стремящегося возвратить инерционную массу 2 в исходное состояние. В установившемся состоянии сигнал с выхода электронной схемы является выходным сигналом микромеханического акселерометра.

График зависимости перемещения чувствительного элемента маятникового типа от преобразуемого им линейного ускорения приведен на рисунке 7.

Рис. 7. График зависимости перемещения инерционой массы акселерометра маятникового типа от воздействия линейного ускорения.

 

б) Осевой акселерометр

Данный акселерометр относится к устройствам для измерения ускорения объекта в условиях вибрации и может быть использовано для контроля положения подвижного объекта.

Конструктивная схема чувствительного элемента осевого типа, представлена на рисунке 8. Пространственная модель представлены на рисунке 9.

Рис. 8.  Конструктивная схема ММА осевого типа.

1 – инерционная  масса; 2 – торсионы; 3 – неподвижные  пластины.

 

Рис.9. Пространственная геометрическая модель чувствительного элемента.

 

Чувствительный элемент относится к типу акселерометров с поступательным перемещением чувствительной массы. Он представляет собой пластину, изготовленную из монокристаллического кремния – инерционная масса 1, толщиной 15 мкм и размерами в плоскости подвеса 0,5х1,0 мм, расположенную с зазорами относительно корпуса, подвешенную к нему на четырех упругих торсионах 2. В результате образуется упругий подвес, обеспечивающий перемещение инерционной массы вдоль оси, лежащей в плоскости инерционной массы. Съем информации производится по дифференциальной схеме с помощью гребенчатого емкостного датчика перемещений. 

Рассматриваемое устройство работает следующим образом. При действии ускорения в направлении оси чувствительности Х-Х инерционная масса 1 отклоняется от своего исходного состояния. Сигнал, снимаемый с датчика перемещений, приводит к возникновению электростатических сил, стремящихся возвратить инерционную массу 1 в установившееся положение. В установившемся состоянии сила инерции, действующая на инерционную массу, уравновешивается электростатическими силами гребенчатого датчика силы.

График зависимости перемещения инерционной массы осевого типа от амплитуды воздействующего линейного ускорения приведен на рисунке 10.

 

Рис.  10. График зависимости перемещения инерционной массы осевого типа от амплитуды воздействующего ускорения линейного.

 

 

3. По способу съема выходного сигнала. 

 

а) Емкостные

Емкостные датчики используются для решения широкого круга         задач — этот тип устройств позволяет определять положение, перемещение, ускорение и многие другие параметры. Применение емкостной технологии в автоэлектронике ассоциируется именно с акселерометрами, которые получили наиболее широкое распространение благодаря их высокой чувствительности, стабильности при детектировании статического ускорения, малого дрейфа, низкой температурной чувствительности, малой потребляемой мощности, высокой надежности, хорошим шумовым свойствам, удовлетворительному разрешению и точности, низкой цене.

Принцип действия емкостного акселерометра основан на изменении емкости чувствительного элемента с электродами при перемещении инерционной массы, являющейся его частью, под действием ускорения.

Большинство МЭМС-акселерометров использует принцип, в котором ускорение изменяет расстояние d между обкладками и, таким образом, емкость конденсатора. Датчик преобразует изменение емкости акселерометра в выходной сигнал — электрический заряд, напряжение или ток.

Типичный емкостный элемент состоит из двух фиксированных элементов – между ними подвешена подвижная обкладка, нагруженная инерционной массой, которая представляет собой общий электрод емкостного полумоста (рис. 11, а – г).

 

 

 

Рис. 11. Измерительный принцип дифференциального емкостного акселерометра: а, б – физическая модель измерительной структуры: 1, 3 – неподвижные металлические обкладки; 2, 4 – зафиксированные печатные платы; 5 – подвижная обкладка; 6 – инерционная масса; 7, 8 – слои диэлектрика; S – фиксированная площадь перекрытия обкладок; d1, d2 – переменные расстояния между обкладками; а – акселерометр в состоянии покоя; б – под действием ускорения а; в – эквивалентная электрическая схема; г – размещение измерительных осей и степеней свободы относительно корпуса ИС.

 

 

г) Преобразователи на p-n-переходах.

Рис. 12. Тензометр на туннельном диоде.

 

На рис. 12 представлен тензодатчик с туннельным диодом и омическим контактом, смонтированный  на консольной балке. Туннельный p-n-переход получен путем вплавления кончика проволоки из алюминия с добавкой 1% бора в пластинку из кремния. Кремниевая пластинка вырезана и укреплена на консоли таким образом, что вплавление производится на плоскость, соответствующую кристаллографической плоскости. Кремний легирован сурьмой до концентрации 5·1019 атомов в см3. Тензодатчик прикреплен к консольной балке из бериллиевой бронзы эпоксидной изолирующей смолой. Для питания устройства используется источник постоянного тока. Когда на консоль действует сила F1, p-n-переход туннельного диода подвергается одноосному растяжению в плоскости перехода. Аналогично при приложении силы F2 переход испытывает одноосное напряжение сжатия. В результате воздействия этих напряжений вольт-амперная характеристика диода изменяется.  

Чувствительность туннельного диода к силовой нагрузке может быть повышена, если использовать участок вольт-амперной характеристики с отрицательным сопротивлением. Это можно осуществить, если шунтировать диод сопротивлением Rш при условии

 

где R0 – отрицательное сопротивление диода, С – емкость перехода, Rd – внутреннее последовательное сопротивление диода, L – индуктивность всей схемы.

Работа тензодатчика с туннельным диодом в режиме усиления объяснена на рис. 13.

 

Рис. 13. Принцип действия тензометра с туннельным диодом: а - большая разность между Rш  и R0 соответствует малой чувствительности, б - малая  разность между Rш и R0 соответствует высокой чувствительности к деформации.

 

Рис. 13, а соответствует шунтирующему сопротивлению Rш = 600 Ом, а рис. 13, б – сопротивлению 1100 Ом. Отрицательное сопротивление диода в данном случае R0 = 1220 Ом. Следовательно, разность между шунтирующим сопротивлением и отрицательным сопротивлением диода составляет 50 и 10% соответственно. Если на диод подано смещение, соответствующее рабочей точке А на рис. 13, а, и создана деформация за счет приложения силы F1 (рис. 12), то характеристика принимает новую форму, показанную пунктирной кривой. При этом точка смещения переходит из положения А в положение В и напряжение на диоде изменяется на ΔU. При шунтирующем сопротивлении Rш = 1100 Ом (рис. 13, б) средняя часть вольт-амперной характеристики шунтированного диода имеет значительно меньший наклон.

 

 

Как и в предыдущем случае, деформация вызывает перемещение рабочей точки из А в B, но теперь изменение напряжения ΔU будет большим, и поэтому измерение деформаций может производиться с большей чувствительностью. Деформация S вычисляется по формуле (δ, с, a и l указаны на рис. 14):

 

Рис. 14. Схема с указанием величин, необходимых для вычисления деформации в тензометрах с р-n-переходами, смонтированных на консольной балке.

 

На рис. 15 показан тензодатчик с двумя туннельными переходами 1, образованными на противоположных сторонах стержня из полупроводникового материала 2. Эти переходы включены в два плеча моста Уитстона для увеличения чувствительности устройства. При воздействии на полупроводниковый стержень силы F один из переходов подвергается растяжению, а другой – сжатию.

Рис. 15. Тензодатчик с двумя туннельными переходами.

 

Электрический сигнал на выходе удваивается по сравнению с сигналом, получаемым при использовании только одного перехода.

г) Струнные

Струнные преобразователи, изучаемые в данной работе, применяются для относительных измерений линейных размеров в диапазоне до 200 мкм. Основной областью их применения является контроль геометрических параметров изделий в машиностроении.

Принцип действия струнных преобразователей основан на использовании зависимости частоты собственных поперечных колебаний струны от ее продольного натяжения.

Для идеально гибкой струны, жестко закрепленной с обоих концов, эта частота определяется следующим выражением: