Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Изобретение относятся к микромеханике и предназначено для измерения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) подвижных элементов микромеханических устройств (ММУ), таких как акселерометры, датчики давления, микрогироскопы, микрозеркала, имеющие емкостной съем сигнала.

Известны: способ измерения динамических характеристик компенсационного акселерометра [1], способ контроля качества изготовления микромеханических устройств [2], способ измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств [3].

Размеры частей ММУ колеблются от сотен до долей микрон. В частности, толщина торсионов составляет порядка 8-10 мкм. Визуальный контроль затруднителен и часто единственным способом обеспечения параметров микромеханических устройств является косвенный метод контроля, а именно измерение АЧХ подвижных (чувствительных) элементов, которые характеризуют обобщенный критерий качества изготовления ММУ. Способ [1] предназначен для измерений характеристик акселерометров компенсационного типа, содержащих датчик силы и датчик смещения, что не позволяет использовать его для микромеханических устройств прямого преобразования, содержащих только две неподвижные и одну подвижную обкладки дифференциальной емкости.

Способ [2] также предназначен для контроля качества изготовления микромеханических устройств, которые состоят из задатчика силы и датчика перемещения. Задатчик силы электростатического типа выполнен в виде дифференциальной емкости. Также как и способ [1], он требует наличия, как задатчика силы, так и задатчика перемещения.

Известный способ [3] является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и предназначен для измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств. Данный способ включает формирование на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей при установке на подвижной обкладке постоянного смещения, равного нулю. При этом выделяется вторая гармоника суммы зарядов, протекающих через конденсаторы, образованные подвижной и неподвижной обкладками чувствительного элемента. Амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства определяется отношением второй гармоники полученной суммы зарядов к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.

При производстве микромеханических устройств присутствует технологический разброс значений емкостей вследствие разброса величин зазоров, перекосов и т.д.

Несовершенство технологических процессов является причиной различных перекосов и неравномерности воспроизведения величин зазоров, вследствие чего возникает разброс значений емкостей чувствительного элемента, что нарушает симметричность емкостной системы вцелом. В результате неравенства емкостей, значения токов перезаряда различаются друг от друга. При этом разностный ток первой гармоники преобразуется в выходное напряжение первой гармоники, величина которого пропорциональна разности емкостей конденсаторов и амплитуде гармонических колебаний на них. Амплитуда колебаний зависит от жесткости торсионов, величина которой пропорциональна диапазону измерения, и от амплитуды гармонических сигналов на неподвижных обкладках конденсатора. Изменение емкости на краю диапазона измерения (номинальное воздействие) составляет приблизительно 20%. Как правило, измерение АЧХ производится при амплитуде колебаний подвижной обкладки, составляющей 10% от амплитуды отклонения при номинальном воздействии, вызывая изменение среднего значения емкости на 2%. Такое изменение удается получить только для преобразователей с малой жесткостью торсионов, что обусловлено ограничением амплитуды гармонических сигналов с постоянной составляющей, величиной пробивного напряжения. Для ряда ММУ с жестким подвесом это изменение может быть меньше примерно на два порядка, что составляет менее 0,02%.

Поэтому, даже относительно небольшая разница значений емкостей в ММУ с жесткими торсионами может приводить к возникновению разностного тока достаточно большой величины, амплитуда которого может значительно превышать амплитуду тока второй гармоники.

Так как любой зарядочувствительный усилитель (преобразователь заряд-напряжение) обладает определенной нелинейностью амплитудной характеристики, то при преобразовании разностного тока первой гармоники в напряжение, на выходе преобразователя формируется напряжение не только первой, но и более высоких гармоник, в лом числе и второй, приводя, тем самым, к искажению полезного сигнала (напряжение второй гармоники). Для ММУ, обладающих высокой чувствительностью (малой жесткостью подвеса), достаточно большое влияние может оказывать воздействие силы тяжести, приводящее к изменению соотношения величин емкостей конденсаторов.

Кроме того, измерение второй гармоники в выходном напряжении на фоне первой, которая во много раз превышает амплитуду второй гармоники, может быть осуществлено с помощью достаточно дорогих измерительных приборов. Цена таких приборов колеблется приблизительно от 80 тысяч (анализатор спектра СК4-56, рабочая частота - от 10 Гц) до более полутора миллионов рублей (анализатор спектра фирмы «Брюль и Къер» типа 3560 PULSE, рабочие частоты - много меньше 1 Гц).

Рассмотренные выше обстоятельства ограничивают область применения, снижая точность измерения АЧХ в способе [3] и требуют применения дорогостоящего оборудования для его реализации.

Задачей предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей, повышение точности и снижение стоимости оборудования для его реализации.

Для достижения поставленной задачи поддерживается постоянное, равное нулю напряжение на подвижной обкладке конденсатора дифференциальной переменной емкости, состоящего из подвижного элемента и двух неподвижных. На неподвижные обкладки подаются в противофазе гармонические сигналы одинаковой частоты и амплитуды с постоянной составляющей, из которых формируется компенсационный ток, равный первой гармонике суммы токов, протекающих через конденсаторы.

Формирования компенсационного тока проводят итерацией - в начале компенсационный ток устанавливают равным нулю и измеряют в выходном напряжении амплитуду первой гармоники. Затем компенсационный ток увеличивают, при уменьшении амплитуды первой гармоники в выходном сигнале компенсационный ток увеличивают до тех пор, пока амплитуда первой гармоники не станет минимальной, а при увеличении амплитуды первой гармоники в выходном сигнале изменяют фазу компенсационного тока на 180 градусов, при этом амплитуда первой гармоники в выходном сигнале уменьшится, и амплитуду компенсационного тока увеличивают до тех пор, пока амплитуда первой гармоники не станет минимальной; при этом в процессе выполнения итерации учитывается, что дальнейшее увеличение амплитуды компенсационного тока после достижения минимального значения амплитуды первой гармоники выходного сигнала приведет к ее увеличению.

Сумма компенсационного заряда и зарядов протекающих через конденсаторы преобразовывается в пропорционально-зависимое выходное напряжение. При этом амплитудно-частотная характеристика ММУ равна отношению второй гармоники выходного напряжения к первой гармонике сигналов, сформированных на обкладках конденсатора.

Благодаря формированию компенсационного тока и вычитания его из суммы протекающих через конденсаторы токов резко снижается величина тока первой гармоники, которая преобразуется в выходное напряжение, уменьшая тем самым амплитуды, как первой гармоники, так и обусловленные нелинейностью преобразования паразитные гармоники, что повышает точность измерения. При этом можно измерять АЧХ ММУ с торсионами как большой, так и очень малой жесткости, обеспечивая, тем самым, расширение возможностей применения данного способа.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, предназначенного для реализации предложенного способа, где

1 - генератор со средней точкой;

2 - средняя точка генератора;

3 - источник постоянного напряжения;

4, 5 - симметричные выводы генератора;

6, 7 - неподвижные электроды ММУ;

8 - подвижный электрод ММУ;

9 - входу зарядо-чувствительного усилителя;

10 - резистор;

11 - конденсатор;

12 - операционный усилитель;

13 - выход зарядо-чувствительного усилителя;

14 - анализатора спектра или селективный микровольтметр.

15 - компенсатор;

16 - потенциометр;

17 - конденсатор.

Устройство для реализации предлагаемого способа, структурная схема которого представлена на фиг.1, включает в себя генератор 1 с симметричным выходом и средней точкой. На среднюю точку 2 генератора 1 с источника напряжения 3 подается постоянное напряжение смещения (порядка 20-70 В), а симметричные выводы генератора 4, 5 подключены к неподвижным электродам 6, 7 ММУ и к первому и второму входам компенсатора 15. Подвижный электрод 8 и выход компенсатора подключены к входу 9 зарядо-чувствительного усилителя образованного резистором 10, конденсатором 11, операционным усилителем 12. Первый вывод резистора 10, первый вывод конденсатора 11 и отрицательный вход операционного усилителя 12 замкнуты и образуют вход 9 зарядо-чувствительного усилителя. Вторые выводы резистора 10, конденсатора 11 и выход операционного усилителя 12 замкнуты и образуют выход 13 зарядо-чувствительного усилителя. Положительный вход операционного усилителя 12 подключен к нулевому потенциалу. Выход 13 подключен к входу анализатора спектра 14.

Компенсатор 15 может быть выполнен в виде потенциометра 16 и конденсатора 17, первый вывод которого является выходом компенсатора 15, а второй вывод соединен с подвижным ползунком потенциометра 16, два других вывода которого являются входами компенсатора 15.

В случае неравенства емкостей при подаче пульсирующего напряжения на обкладки переменного конденсатора разностный ток перезаряда первой гармоники преобразуется в выходное напряжение первой гармоники с помощью зарядочувствительного усилителя и измеряется с помощью селективного вольтметра.

Перемещение ползунка потенциометра приводит к изменению прикладываемого к конденсатору напряжения, а, следовательно, и к изменению компенсационного заряда, приводя к уменьшению или увеличению (в зависимости от фаз разностного и компенсационного токов) амплитуды выходного напряжения первой гармоники. Причем напряжение на выходе потенциометра в среднем положении ползунка равно нулю, а в двух крайних положениях максимально, но при этом фазовый сдвиг составляет 180°.

Предлагаемый способ измерения АЧХ основан на электростатическом взаимодействии между подвижной (фиг.1 поз.8) и неподвижными обкладками (фиг.1 поз.6, 7) ЧЭ, образующих дифференциальный конденсатор переменной емкости. На неподвижные обкладки этого конденсатора подаются гармонические сигналы U₁ и U₂ частоты w с постоянной составляющей U₀ (фиг.2-А и 2-Б соответственно), а на подвижном электроде поддерживается нулевое напряжение:

U₁=U₀+U_г·sin(wt),

U₂=U₀-U_г·sin(wt), где

напряжение U₀ соответствует напряжению в точке поз.2 фиг.1;

напряжение U₁ соответствует напряжению в точке поз.4 фиг.1;

напряжение U₂ соответствует напряжению в точке поз.5 фиг.1.

Значение постоянной составляющей U₀ должно быть не менее амплитуды U_г гармонической составляющей U₀≥U_Г, таким образом задается условие U₁, U₂≥0.

Результирующая переменная составляющая за счет силы кулоновского взаимодействия между подвижным и двумя неподвижными электродами приведена на фиг.2в, за счет воздействия которой происходит колебание подвижного электрода ЧЭ.

В случае отсутствия напряжения на обкладках конденсаторов (устройство выключено) электрические емкости конденсаторов С₁, С₂ равны:

C₁=C_o+ΔC

C₂=C_o-ΔС

Отклонение ΔС значения емкостей от величины С_о может являться результатом как технологического разброса, так и результатом воздействия силы тяжести Земли. Причем величина ΔС достигает значения 0,1С_о вследствие технологического разброса. Воздействие силы тяжести может вызвать еще большее отклонение в зависимости от чувствительности ММУ.

При подаче рабочих напряжений отклонение подвижной обкладки пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально жесткости торсионов.

В общем случае электрическая емкость конденсаторов С₁, С₂, образуемых обкладками ЧЭ и общим электродом, выражается следующим образом:

C₁=(C_o+ΔC)·(1+A_мех·sin(wt)),

C₂=(C_o-ΔC)·(1-A_мех·sin(wt)),

электрическая емкость С₁ образована обкладками поз.6 и поз.8 фиг.1;

электрическая емкость С₂ образована обкладками поз.7 и поз.8 фиг.1;

изменение емкостей С₁, С₂ представлено на фиг.2г и 2д, соответственно.

Коэффициент А_мех зависит от амплитуды U_г и амплитуды механических колебаний подвижного элемента ММУ, а С_о - электрическая емкость конденсаторов в отсутствие асимметрии, когда С₁=С₂=С_о.

Коэффициент передачи зарядо-чувствительного усилителя (образованного резистором поз.11, конденсатором поз.10, операционным усилителем поз.12 фиг.1) для сигнала U₁ вычисляется следующим образом

, где U_вых - напряжение на выходе зарядо-чувствительного усилителя.

Значения R_ос (омическое сопротивление резистора поз.11 фиг.1) и С_ос (электрическая емкость конденсатора поз.10 фиг.1) выбираются таким образом, чтобы R_ос в рабочем диапазоне частот было намного больше реактивного сопротивления Х_Сос емкости С_ос.

Напряжение U₁ создает на выходе зарядо-чувствительного усилителя сигнал:

где , .

В силу симметрии напряжение U₂ создает на выходе усилителя сигнал

Считая, что ползунок потенциометра 16 находится в среднем положении, и переменное напряжение на нем равно нулю, и с учетом принципа суперпозиции, получим:

U_вых= U_вых1+U_вых2=

k(U_o+U_г·sin(wt))·(1+A_мех·sin(wt))+k₁(U_o+U_г·sin(wt))·(1+A_мех·sin(wt))+

k(U_o-U_г·sin(wt))·(1-A_мех·sin(wt))-k₁(U_o-U_г·sin(wt))·(1-A_мех·sin(wt))

После преобразования с учетом того, что 1-2sin²(wt)=cos(2wt), получим окончательное выражение для U_вых:

U_вых=2kU_o+kU_ГА_мех-kU_ГA_мех·cos(2wt)+2k₁(U_oA_мех+U_Г)·sin(wt)

Напряжение U_вых соответствует напряжению в точке поз.13 фиг.1 Амплитуда второй гармоники выходного сигнала зависит от коэффициентов k, U_Г, A_мех. Величины k, U_Г - постоянные, это означает, что на амплитуду второй гармоники выходного сигнала влияет коэффициент А_мех, характеризующий амплитуду механических колебаний подвижного элемента ММУ. Анализ амплитуды второй гармоники с помощью анализатора спектра (поз.14 фиг.1) при изменении частоты на задающем генераторе (поз.1 фиг.1) реализует поставленную задачу - измерение АЧХ подвижного элемента ММУ.

Рассмотрим соотношение амплитуд первой и второй гармоник в выходном сигнале. Амплитуды первой и второй гармоник U_A1 и U_A2 соответственно равны:

, при условии U_Г>>U_oA_мех получим

Запишем отношение амплитуд U_A1 и U_A2:

Как было сказано ранее, величина ΔС может достигать значения 0,1С_о, а коэффициент А_мех приблизительно равен 0,02. Таким образом, амплитуда первой гармоники превышает амплитуду второй измеряемой гармоники в 10 раз. Причем для ММУ с жестким подвесом величина данного отношения может увеличиться примерно на два порядка.

При таких больших отношениях величины паразитной гармоники к измеряемой начинает сказываться нелинейность зарядо-чувствительного усилителя, понижая тем самым точность измерения и ограничивая функциональные возможности данного способа. Кроме того, для реализации способа требуется дорогостоящее оборудование.

Амплитуда первой гармоники в выходном сигнале может быть значительно уменьшена благодаря наличию компенсатора и его настройки. Измеряя амплитуду первой гармоники в выходном напряжении, мы меняем положение ползунка потенциометра 16 таким образом, чтобы в выходном напряжении минимизировать амплитуду первой гармоники, вплоть до нулевого значения, приводя, тем самым, к повышению точности и расширению функциональных возможностей способа.

Для реализации данного способа на практике было собрано измерительное устройство. Селективный вольтметр и задающий генератор были реализованы на базе микросхемы МАХ7490, представляющей собой двухканальный универсальный фильтр на переключаемых конденсаторах. Причем стоимость микросхемы не превышала 150 рублей.

Экспериментальная проверка показала, что первая гармоника в выходном сигнале уменьшалась на 47 дБ (примерно в 200 раз). Неполное подавление обусловлено влиянием активного сопротивления потенциометра на фазовый сдвиг в цепи компенсатора. При необходимости его можно уменьшить, усложнив устройство компенсатора с помощью развязывающего усилителя (повторитель напряжения). Хотя в нашем случае для всех практических задач данное усложнение не потребовалось.

ЛЧХ измерялись, как с использованием дорогостоящего анализатора спектра СК4-56, так и перестраиваемого активного фильтра на базе МАХ7490. Отклонения результатов были в пределах погрешности измерения.

Экспериментальная проверка полностью подтвердила ожидаемые результаты.

Источники информации

1. Патент СССР 1839835

2. Патент РФ 2244271

3. Патент РФ 2377508 - прототип