авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка микросистемного акселерометра

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 531. 781. 2

Вавилов Иван Владимирович

РАЗРАБОТКА МИКРОСИСТЕМНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

05.11.03 - Приборы навигации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена на кафедре «Авиационные приборы и устройства» Арзамасского филиала Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель: к.т.н., доцент. Поздяев В.И.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Распопов В.Я.

д.т.н., главный научный сотрудник

ФГУП "НПП "Полет" Кейстович А.В.

Ведущее предприятие: ОАО "Арзамасский приборостроительный завод",

г.Арзамас.

Защита состоится 11 октября 2006 г, в 15:00 в ауд. 1258 на заседании диссертационного Совета Д 212.165.12 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, ГСП-41, Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан «____»_______________ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

к.т.н., доцент______________ В.В. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Стимулирующим фактором развития интегральных датчиков служит нарастающая потребность в информации в различных управляемых технических системах. В основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) лежит концепция от “датчика к системе”, формулировка сущности которой может быть представлена в виде следующих положений:

  • разработка, исследование и создание интегрированных датчиков прямого измерения, объединяющих первичный чувствительный элемент и вторичный электронный преобразователь, при условии их исполнения в рамках единого технологического процесса
  • разработка, исследование и создание интегрированных компенсационных датчиков, объединяющих первичный чувствительный элемент, вторичный электронный преобразователь и преобразователь обратной связи для управления чувствительным элементом, при условии их исполнения в рамках единого технологического процесса
  • разработка, исследование и создание интегрированных датчиков с вычислительными возможностями, например, реализующих многофакторность измерений, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования, адаптацию к оптимальным условиям, выполнение контрольно-диагностических функций и др., при условии их исполнения в рамках единого технологического процесса
  • разработка, исследование и создание беспроводных интегрированных датчиков с малым потреблением электроэнергии и обладающих свойствами первых трех групп.

Одной из первых систематизирующих работ по микросистемным датчикам была статья Петерсена К. “Кремний как механический материал для интегральных конструкций”, опубликованная в журнале IEEE № 5 за 1982 год. Период развития интегральных датчиков составляет немногим более тридцати лет. За это время разработан широкий спектр датчиков: от интегрального тензорезистора до компенсационного акселерометра. Наиболее успешным разработчиком в области микросистемных приборов навигации в настоящее время является фирма Analog Devices (США). В нашей стране микросистемные датчики разрабатывают: Арзамасское НПП “ТЕМП-АВИА” (к.т.н. Былинкин С.Ф.), Пензенский НИИФИ (д.т.н. Мокров Е.А.), Зеленоградский НИИЭТ (д.т.н. Тимошенков С.П.), Тульский ГТУ (д.т.н. Распопов В.Я.), МВТУ (д.т.н. Коновалов С.Ф.) и др. Однако нельзя сказать, что данный период находится в своей завершающей стадии. Особенно слабым звеном является разработка интегральных датчиков параметров движения, таких, как линейные и угловые акселерометры. До сих пор отсутствуют акселерометры со стопроцентной интеграцией, а реальная точность известных разработок не превзошла рубеж 12 % от измеряемого диапазона. Под интеграцией понимается объединение функциональных узлов и блоков в единый конструктив, представляющий одну монолитную “деталь”. Повысить точность измерения интегральных акселерометров более чем на порядок возможно введением в контур отработки цепи отрицательной обратной связи, однако это связано с усложнением схемы.





Актуальность работы. Характерной чертой мирового развития информационных технологий конца XX и начала ХХI века является выделение интегрально образующихся (комплексных) технологий, к которым относятся и технологии микромеханических систем. Как в нашей стране, так и за рубежом наблюдается устойчивый рост интереса к разработкам интегральных датчиков, что связано с возможностью эффективного решения с их помощью ряда задач контроля и управления. С 30 марта 2002 года в России микросистемная техника официально объявлена критической технологией. В перечне критических технологий, утвержденном Президентом России, формулировка определена следующим образом: “Сверхминиатюрные механизмы, приборы, машины с ранее не достижимыми массогабаритами, энергетическими показателями и функциональными параметрами, создаваемые интегрально-групповыми экономически эффективными процессами микро- и нанотехнологии.” Возможности измерительных систем, таких как инерциальные навигационные системы (ИНС), инклинометры, курсовертикали и т. д., всегда определялись характеристиками первичных преобразователей. Существующие конструкции интегральных датчиков ускорений не удовлетворяют современным требованиям из-за высокого уровня трудоемкости изготовления, а также временной нестабильности метрологических характеристик и малого ресурса.

Данная работа проводилась в соответствии с тематикой научных исследований предприятия Арзамасского НПП “ТЕМП-АВИА”, а также планом основных научных работ Арзамасского политехнического института (филиала НГТУ) по проблеме “Разработка и исследование интегральных датчиков первичной информации”.

Цель работы. Целью диссертации является исследование и разработка нового микросистемного датчика ускорений и его узлов, а также построение математических моделей датчика и расчетных соотношений для теоретического определения его статических, динамических и точностных характеристик.

Задачи диссертационной работы:

1. Исследование структуры нового микросистемного акселерометра и его составляющих механических и электрических узлов с использованием полупроводниковых материалов и микромашинной технологии.

2. Разработка математических моделей датчика для анализа на стадиях НИР и ОКР всех характеристик микросистемного акселерометра: статической, амплитудно-частотной, фазо-частотной, переходной, точностной и характеристик его отдельных узлов.

3. Проведение экспериментальных исследований статических и динамических характеристик новых микросистемных датчиков ускорений, результаты которых позволяют судить о точности и преимуществах интегральных конструкций перед традиционными не интегральными.

4. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов диссертации.

Объект исследования. Объектом исследования являются следующие устройства:

  1. Кремниевые маятниковые чувствительные элементы.
  2. Емкостные преобразователи перемещений в электрический сигнал.
  3. Устройства для испытаний линейных акселерометров.
  4. Микроэлектронные преобразователи и узлы, встраиваемые в интегральные датчики ускорений.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы математического и компьютерного моделирования характеристик акселерометра, натурный эксперимент, методы теоретической механики, теории упругости и автоматического управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Исследована структура и разработан новый чувствительный элемент (патент РФ № 2231795) имеющий в два раза меньшую погрешность измерения, чем аналоги и разработана математическая модель нового микросистемного акселерометра с уточнением влияния характеристик составляющих элементов, в результате чего расчетные данные совпали с экспериментальными.

2. Разработан оригинальный емкостный преобразователь (патенты: № 2231796 и № 2272298). Получены теоретические соотношения для расчетов микроэлектронных преобразователей, предназначенных для совместной работы с микромеханическими ЧЭ, что дало разработчикам новый эффективный инструмент проектирования..

3. Проведены экспериментальные исследования и компьютерное моделирование статических и динамических характеристик микросистемных акселерометров на макетах и на готовых изделиях и сравнены с теоретическими результатами, что подтвердило адекватность теоретических положений.

Практическая ценность работы:

1. Теоретические решения доведены до практического использования в расчетах характеристик, в оптимизации параметров разрабатываемых интегральных датчиков ускорений и явились основой разработки схем и конструкций, защищенных патентами РФ.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде рекомендаций и расчетных соотношений для определения важнейших характеристик датчиков использованы для проектирования и построения интегральных датчиков ускорений типа АТ1105 и АТ1112 на диапазоны от 0,5 g до 50 g.

3. Разработанные методики определения статических характеристик интегральных датчиков ускорений и их погрешностей с помощью испытательного оборудования позволяют получить основные метрологические параметры приборов.

4. Результаты диссертационной работы внедрены в серийно выпускаемые изделия АНПП "ТЕМП-АВИА" и в учебный процесс в Арзамасском филиале НГТУ на кафедре “Авиационные приборы и устройства” по специальностям 190300 и 190900.

Реализация в промышленности. Выводы, рекомендации и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены на предприятии АНПП "ТЕМП-АВИА" (г. Арзамас), что подтверждается документами, приведенными в приложении.

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

  1. На региональной научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин", Н. Новгород, 1997, 1998, 2002, 2003 г.
  2. На Всероссийских научных конференциях «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении». 2002, 2003, 2004 г.
  3. На расширенном заседании кафедры "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского филиала НГТУ в 1998, 2000, 2001, 2002, 2003 и 2004 г.г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ, из них 13 статей и четыре патента на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы, списка принятых обозначений и содержит 153 страниц машинописного текста: иллюстраций - 39 (рисунки, схемы, графики), таблиц - 15, список литературы - 83 наименований.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Структурная схемотехника и математическая модель нового маятникового чувствительного элемента имеющего компенсацию от влияния температурных напряжений.

2. Оригинальный микросистемный емкостный преобразователь перемещений с тестированием акселерометра, меньших габаритов при той же стоимости.

3. Математическая модель микросистемного акселерометра, позволяющая оценить его параметры еще на стадиях НИР и ОКР.

4.Соотношения для выбора оптимальных параметров микросистемного акселерометра по критерию минимума погрешностей измерений, которые позволяют для акселерометров прямого измерения получить точность, эквивалентную точности компенсационного акселерометра с электростатической обратной связью.

5. Структурные схемы установок для экспериментальных исследований статических и динамических характеристик микросистемных акселерометров и результаты экспериментальных исследований.

6. Соотношения для теоретических расчетов: жесткостей упругих подвесов, абсолютных коэффициентов газодинамического демпфирования, упругих подвесов на продольную устойчивость и элементов электрической схемы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы и на основе анализа современного состояния интегральных датчиков первичной информации сформулированы цель и задачи исследований.

Первая глава диссертации посвящена обзору современного состояния микросистемных акселерометров, в которой сделан сравнительный анализ их характеристик. Рассмотрены как отечественные, так и зарубежные решения и выявлены положительные и отрицательные стороны конструкций с точки зрения получения максимальной точности. В результате анализа предпочтение отдано микросистемному акселерометру с местной обратной связью.

Вторая глава содержит теоретическое обоснование построения микромеханического чувствительного элемента и электрической схемы. Проведена оценка числа степеней свободы маятникового подвижного узла на основе анализа жесткостей упругих подвесов в различных направлениях. Из анализа следует, что угловое движение маятника относительно оси y (рис. 1) и линейные относительно осей x и y отсутствуют, так как их жесткости являются бесконечно большими. Сравнивая угловые жесткости относительно осей x и z, можно заключить, что угловая жесткость относительно оси z превосходит угловую жесткость относительно оси x на множитель . Численно это составляет, как минимум, пять порядков, что при допущении одинаковых усилий, действующих по сравниваемым осям, позволяет пренебречь бесконечно малым угловым перемещением относительно оси z.

Осевые жесткости подвеса вдоль положительного и отрицательного направления оси z в общем случае не одинаковы. В положительном направлении подвес работает на растяжение, а в отрицательном - на сжатие. При этом при больших нагрузках в отрицательном направлении необходимо проводить проверку подвеса на продольную устойчивость. Здесь следует отметить, что для подвесов с кривизной по ширине и толщине сжатию подвергается короткий участок в минимальном сечении подвеса и при сохранении его характеристик в пределах упругости подвес всегда является устойчивым.

Таким образом, рассмотренная конструкция маятникового ЧЭ интегрального акселерометра, при введенных допущениях, имеет две степени свободы: угловое перемещение относительно оси x и линейное перемещение вдоль оси y. Соответственно микромеханический подвижный узел имеет передаточную функцию четвертого порядка. При использовании для анализа динамики уравнения Лагранжа второго рода, передаточная функция подвижного узла была определена в виде:

, (1)

где коэффициенты передаточной функции выражаются через параметры подвижного узла:

(2)

где - момент инерции маятника относительно оси z; m - масса маятника; Kд и Kду - осевой и угловой абсолютные коэффициенты демпфирования; G и Gу - осевая и угловая жесткости упругого подвеса; lц - расстояние от центра тяжести до оси качания маятника.

Крутизну статической характеристики чувствительного элемента определим из (1) с учетом (2) при :

(3)

Для обработки перемещений маятника разработан специализированный электрический преобразователь. В качестве исходных предпосылок при разработке преобразователя были приняты следующие требования: 1 - обеспечение линейности статической характеристики во всем диапазоне измерений; 2 – в преобразователе должно быть полностью исключено влияние диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между измерительными электродами преобразователя; 3 - в передаточные соотношения величины резисторов должны входить в виде отношений; 4 - минимум температурной ошибки при изменении параметров; 5 - достаточная фильтрация выходного сигнала от несущей частоты генератора, питающего емкостный мост; 6 - исключение тяжения между подвижным и неподвижным электродами емкостного моста; 7 - в динамическом отношении преобразователь перемещений должен представлять собой, без учета фильтра нижних частот, безынерционное звено; 8 - независимость крутизны статической характеристики и нулевого сигнала преобразователя от частоты питающего генератора и сведение к минимуму ошибки от нестабильности источников питания.

Наиболее полно сформулированным требованиям отвечает схема, представленная на рис. 2, а. Для достижения необходимых характеристик по статической и динамической точности в схеме осуществлялась проработка нескольких вариантов решений того или иного узла и выбор оптимальных. Схема содержит в своем составе: дифференциальную цепь измерительных емкостей C1 - C2; устройство переключения опорных напряжений Кл1-Кл4; усилитель на ОУ1, синхронный (демодулятор) детектор (Кл5 и Кл8); генератор тактовой частоты (рис. 2, b) на логическом элементе типа триггера Шмидта; источники опор­ных напряжений и фильтр нижних частот (ФНЧ) на ОУ2. Электрическая схема описывается следующей передаточной функцией:

(4)

где - коэффициент крутизны статической характеристики преобразователя;

- постоянная времени фильтра;

Полная передаточная функция микросистемного акселерометра состоит из произведения передаточных функций механической и электрической частей:

(5)

Коэффициенты передаточной функции находятся через параметры подвижного узла: .

Коэффициент наклона статической характеристики микросистемного акселерометра с местной единичной обратной связью получен из передаточной функции (5) в следующем виде:

. (6)

В качестве альтернативной схемы были разработаны и исследованы схемы с силовой электростатической отработкой и с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). После сравнения предпочтение отдано схеме по рис. 2.

В работе были исследованы ЧЭ с внутренним и внешним креплением несущей пластины. Из исследований установлено, что внутреннее крепление по одной точке предпочтительнее с точки зрения меньшего влияния контактных напряжений, передаваемых от корпуса.

Основным параметром подвеса является жесткость, определяемая для случая изгибных деформаций отношением приложенного момента сил к угловому перемещению. При выборе кристаллографической плоскости с изотропными свойствами и допущении, что для него применимы все известные методы из теории упругости, в работе была установлена зависимость от геометрических размеров и модуля упругости для жесткости упругого подвеса с криволинейными боковыми обводами и эллиптическим поперечным сечением:



Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.