Методика расчета емкостного интерфейса микромеханического акселерометра - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника дипломная работа

Главная

Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Методика расчета емкостного интерфейса микромеханического акселерометра

Конструкция и проектные параметры микромеханического акселерометра. Технологический процесс его производства. Расчет чувствительного элемента, пружин, коэффициента демпфирования, компенсирующего градиента, емкостного интерфейса, параметров датчика.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Часть I: Синтез топологии микромеханического акселерометра
2. Краткое описание конструкции акселерометра
3. Основные проектные параметры акселерометра
3.2 Уравнение движения акселерометра
3.2.2 Методика расчета чувствительного элемента
3.2.3 Демпфирование чувствительного элемента
3.2.4 Электростатический компенсатор
3.3 Показатели назначения акселерометра прямого измерения
3.3.1 Чувствительность акселерометра
3.3.2 Порог чувствительности акселерометра
3.3.3 Максимальное измеряемое ускорение
4. Синтез топологии чувствительного элемента акселерометра
4.4 Результаты синтеза топологии акселерометра
Часть II: Методика расчета емкостного интерфейса микромеханического акселерометра
1. Методика расчета емкостного интерфейса микромеханического акселерометра
1.3 Методика расчета коэффициента демпфирования
1.4 Методика расчета компенсирующего градиента
2. Емкостной интерфейс акселерометра
2.1 Методика расчет параметров емкостного датчика
Часть III: Технологический процесс производства микроакселерометра
1. Технологический процесс производства микроакселерометра
1.1 Описание конструкции микромеханического акселерометра
1.2 Описание технологических операций
1.2.3 Обработка поверхности подложек
1.2.4 Нанесение и сушка слоя фоторезиста
1.2.6 Проявление слоя фоторезиста. Сушка проявленного рельефа
1.3 Технологический процесс производства микроакселерометра
1.4 Технологический маршрут изготовления микроакселерометра
1. Безопасность труда при эксплуатации проектируемой техники,
1.1 Характеристика производственного помещения
1.2 Возможные причины и источники возникновения опасных и вредных производственных факторов
2. Предельно допустимые значения параметров опасных и вредных производственных факторов
3. Разработка инженерно-технических и организационных мероприятий по устранению опасного и вредного воздействия на человека
Часть V: Экономический расчет производства микроакселерометра
3.1 План продвижения товара на рынок
3. 2 Каналы сбыта. Стимулирование сбыта
3.7 Проблемы вхождения фирмы на рынок
Характерной тенденцией мирового технологического развития последнего десятилетия явилось зарождение интегральных, в том числе, микросистемных технологий (МСТ). Инициирующим фактором, способствующим динамичному развитию микросистемной техники, стало появление так называемых микроэлектромеханических систем - МЭМС, в которых гальванические связи находятся в тесном взаимодействии с механическими перемещениями. Особенностью МЭМС является то обстоятельство, что в них электрические и механические узлы формируются из общего основания (например, кремниевой подложки), причем, в результате использования технологии формирования объемных структур обеспечивается получение микросистемной техники с высокими оперативно-техническими характеристиками (массо-габаритными, весовыми, энергетическими и др), что сразу же привлекло к себе внимание специалистов - разработчиков спецтехники.
Анализ рынка микросистемной техники
Интеграция достижений в области электроники, механики, информатики и измерительной техники, объединенных тенденцией к микроминиатюризации, определили зарождение новых интегральных микросистемных технологий в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого века. Огромное количество университетов и коммерческих компаний США и Японии сконцентрировало свои усилия на развитии технологий МЭМС. Анализ динамики рынка МЭМС, выполненный NEXUS (органом Европейской Комиссии), показал, что объем рынка увеличивается ежегодно в среднем на 18% и составляет в настоящее время свыше 80 млрд. долларов Более подробно структура рынка МЭМС приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структура мирового рынка микросистемной техники
Необходимо отметить, что за последние годы были разработаны новые классы МЭМС на основе кремния, которые обеспечили революционное внедрение новых технических средств сотовой связи и оптоэлектроники, в том числе:
- Радиочастотные МЭМС-фильтры для сотовых телефонов, обеспечивающие в диапазоне частот 3…300 МГц высокую
добротность - 200…300 (вместо 20…30 в микроэлектронном исполнении);
- Микрозеркальные коммутаторы (2х2,1х4 мм) для оптоволоконных каналов связи на частоты 3…30 ГГц.
В 90-е годы ХХ века к соперничеству двух мировых лидеров в области МЭМС (США и Япония) активно подключились страны Европы и Юго-Восточной Азии. Так например количество университетов и коммерческих компаний, занимающихся исследованиями и разработкой в области создания МЭМС, в Германии к 1997 году стало в 1,5 раза больше, чем в США и практически сравнялось с Японией. В 1998 году по заказу управления перспективных исследований Министерства обороны США впервые была принята программа по МЭМС, которая называлась “MEMC - Microelektromechanical Systems”. На развитие этой программы США ежегодно выделяет по 35 млн. долларов, что превышает подобные инвестиции других стран.
Основные направления и особенности развития изделий микросистемной техники
В таблице 1 приведены основные направления и особенности развития изделий микросистемной техники.
Таблица 1. Основные направления и особенности развития
SEIMS - Sandia Embedded Micromechanical Systems
Разработанная технология обеспечивает создание МЭМС с минимальной топологией 0,5 мкм
В лаборатории организованы отделения робототехники и искусственного интеллекта
Оптический переключатель-мультиплексор
Выполнен на основе МЭМС с набором из 250 микрозеркал по технологии Summeit-Vsurface MEMS
Готовится переключатель, состоящий из 1000 микрозеркал
Чувствительные элементы датчиков на основе карбида кремния
Датчики обеспечивают линейность измерительных характеристик до температуры
Аналогичные зарубежные кремниевые приборы обеспечивают максимальную температуру до
Микроэлектромеханический спектрограф
Имеет объем 6 см 3 , что в три тысячи раз меньше его неинтегрального аналога
Может применяться в мониторинговых и аварийных системах безопасности химических предприятий
Прототип ЛНК (“Лаборатории на кристалле”)
Массачусетский технологический институт
Содержит 34 микрорезервуара по 24 нл, сформированных методом сквозного травления кремниевых подложек и закрытых золотыми мембранами толщиной 0,3 мкм
По оценке специалистов, может привести к революции в приборостроении (для анализа ДНК человека или контроля вредных веществ)
Разработанные МЭМС обеспечивают особую стойкость к радиационным, химическим и тепловым воздействиям
Получение особостойких МЭМС обеспечивается применением карбида кремния в качестве исходного материала
Миниатюрный летательный аппарат “Black Widow”
Размах крыльев - 15 см; вес - 80 г; высота полета - 230 м; скорость - 70 км/ч; время полета - 30 мин; КПД двигателя - 82%; две видеокамеры по 2 г каждая
Обеспечивает передачу видеоизображения на расстояние до 2 км в реальном масштабе времени
Следует подчеркнуть, что в России термин “микросистемная техника” стал использоваться в официальных документах после принятия в 1996 году перечня критических технологий Федерального уровня. Микросистемная техника включена в список приоритетных направлений развития науки и техники на 2001 - 2010 гг.
Основой развития МЭМС является микроэлектронная технология, которая применяется практически во всех изделиях на основе кремния. К сожалению, отечественная микроэлектронная промышленность не может сейчас похвастать большими достижениями. Однако большим положительным фактором является то, что в настоящее время для МСТ можно широко применять существующую российскую микроэлектронную технологию. Поэтому отечественными специалистами уже получены интересные результаты в этой области. В настоящее время увеличилось число российских научных коллективов, занимающихся наномеханикой - наноинструментами, нанотрубками и фотонными кристаллами.
Анализ современного рынка оборудования для МСТ показывает, что последний формируется за счет активного развития биотехнологии на фоне борьбы с терроризмом, ужесточения требований к работе с радиоактивными, токсичными и взрывоопасными веществами, что вызывает переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объемах и создания “лабораторий на кристалле” и биочипов. Возможные направления использования технических средств МЭМС и МСТ для решения специальных задач приведены в таблице 2.
Таблица 2. Возможные направления использования МЭМС
Направление использования в специальной технике
Микроэлектромеханические системы и машины
Микромеханизмы, микропривод, микродвигатели
Микрооптика, оптико-механические интегральные схемы
Спецсвязь, акустический контроль и др.
Миниатюрные автономные системы для диагностики организма и замещения органов
Автономные миниатюрные источники энергии, микротурбины, микросистемы рекуперации энергии
Мультисенсоры, интеллектуальные сенсоры, сенсоры с обратной связью
Защита информации, объектов и личности
Современные криминалистические средства
Микрореакторы, микроинструмент, микрорегуляторы, микронасосы
Мини- и микро- робототехнические системы
Автономные многофункциональные диагностические и технологические мини-системы специальных условий эксплуатации
Необходимо отметить, что активному развитию микросистемной техники в России способствуют три основных обстоятельства:
- наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них объектов микросистемной техники (при существующем уровне технологии в 1…10 мкм);
- наличие научной и технологической культуры (в первую очередь, в области микро- и оптоэлектроники);
- обширный рынок сенсорных систем различного направления (в том числе, в области обеспечения безопасности).
Перспективы дальнейшей интеграции микросистемной техники
Как уже указывалось выше, в становлении МЭМС наибольшее влияние оказал процесс интеграции современных средств, систем и технологий, поэтому для оценки перспектив развития МЭМС воспользуемся коэффициентом уровня интеграции К = Т х М, где Т - число транзисторов, а М - число механических компонент [3]. Состояние и перспективы интеграции микросистемной техники показаны на рисунке 2, где 1 - большинство существующих МЭМС; 2 - акселерометр ADXL-50; 3 - оптомеханические дисплеи DMD; 4 - перспективы интеграции МЭМС.
Рисунок 2. Состояние и перспективы интеграции микросистемной техники
Представленный рисунок хорошо иллюстрирует интеграционные возможности микросистемной техники. Так например для серийно выпускаемого акселерометра ADXL-50, изготавливаемого по технологии с топологическими нормами 2-10 мкм (содержащего 100…200 транзисторов и 1 механический элемент) коэффициент интеграции Т х М = 10 2 , а для чипа микрозеркального дисплея (1 млн. механических элементов экрана и 1 млн. управляющих транзисторов) получим Т х М =10 12 . Аналогично построены и другие области интеграции.
Далее более подробно рассмотрим конкретные разработки, реализованные в реальных образцах техники.
Практическая реализация микросистемных технологий
Совмещение функций различных датчиков в одном приборе, включающем схему формирования сигналов, микропроцессорное и запоминающее устройства, открыло путь к созданию универсальных кибернетических “рецепторов”. В разработке и производстве полностью монолитных акселерометров наибольших успехов добилась компания Analog Devices, которая в 1991 г. первой в мире освоила серийное производство полностью интегрированного монолитного одноосного акселерометра ADXL50, объединяющего в себе формирователь сигнала и схему автономного тестирования. Для формирования чувствительного элемента датчика была применена технология тонкослойного травления, получившая название интегральная микроэлектромеханическая система - iMEMS (Integrated Vicro-Electro-Mechanical Systems). Эта технология и позволила компании Analog Devices занять лидирующее положение на рынке акселерометров (рисунок 3).
Рисунок 3. Соотношение “стоимость - разрешение” для разных типов акселерометров
Интегральные гироскопы в микросхеме ADXRS
Этот гироскоп компании Analog Devices является первым коммерчески доступным прибором, который объединил на одной пластине кремния датчик угла поворота и электронику обработки сигнала. Разработчики использовали технологию iMEMS. За счет этого удалось сделать гироскоп более точным, более надежным, более экономичным и миниатюрным, чем любой другой датчик угла поворота аналогичного класса. Микросхема помещена в корпус с шариковыми выводами, размеры которого составляют 7х7х3 мм. При питании 5 В потребляемая мощность составляет всего 30 мВт. Микросхема обеспечивает стабильный выходной сигнал даже при наличии механических шумов до 2000g в широком диапазоне частот. В приборе предусмотрено устройство самопроверки механической и электрической частей. Внешний вид кристалла микросхемы приведен на рисунок 4.
Рисунок 4. Внешний вид кристалла микросхемы гироскопа.
Гироскоп выпускается в двух модификациях (с динамическим диапазоном 150 0 /c и 300 0 /c). Применение этой микросхемы позволит увеличить точность и надежность приборов системы глобального местоопределения, а также контролировать перемещение различных движущихся средств: автомобилей, самолетов, промышленных роботов, антенн, промышленного оборудования.
Специальные интеллектуальные датчики
Использование МЭМС-технологий в современных электронных системах позволяет значительно увеличить их функциональность. Используя технологические процессы, почти не отличающиеся от производства кремниевых микросхем, разработчики МЭМС - устройств создают миниатюрные механические структуры, которые могут взаимодействовать с окружающей средой и выступать в роли датчиков, передающих воздействие в интегрированную с ними электронную схему. Именно датчики являются наиболее распространенным примером использования МЭМС-технологии: они используются в гироскопах, акселерометрах, измерителях давления и других устройствах.
В настоящее время почти все современные автомобили используют рассмотренные выше МЭМС-акселерометры для активации воздушных подушек безопасности. Микроэлектромеханические датчики давления широко используются в автомобильной и авиационной промышленности. Гироскопы находят применение во множестве устройств, начиная со сложного навигационного оборудования космических аппаратов и заканчивая джойстиками для компьютерных игр. МЭМС - устройства с микроскопическими зеркалами используются для производства дисплеев и оптических коммутаторов (рисунок 5).
Рисунок 5. Элемент микрозеркальной матрицы оптических коммутаторов
Микрокоммутаторы и резонансные устройства, выполненные по МЭМС-технологии, демонстрируют меньшие омические потери и высокую добротность при уменьшении потребляемой мощности и габаритов, лучшей повторяемости и более широком диапазоне варьируемых параметров. В биотехнологии применение МЭМС-устройств позволяет создавать дешевые, но производительные однокристальные устройства для расшифровки цепочек ДНК, разработки новых лекарственных и других специальных препаратов (“лаборатория на кристалле”). Кроме того, необходимо также отметить емкий рынок струйных принтеров, в катриджах которых используются микрожидкостные МЭМС-устройства, создающие и выпускающие микрокапли чернил под управлением электрических сигналов.
В заключение отмечу, что, по мнению экспертов, развитие микросистемной техники (особенно для России) может иметь такое же влияние на научно-технический прогресс, какое оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники.
Нанесение тонкослойного поликристаллического кремния на оксидную подложку с ее последующим травлением совместимо с технологическими приемами, применяемыми в производстве ИС, что позволяет конструировать сенсорные устройства, интегрированные на одном кристалле. Именно на этом пути компании Analog Devices удалось в последние годы разработать одно- и двухосные акселерометры ADXL150 и ADXL250, имеющие высокую точность (относительная погрешность 0,02%) и весьма привлекательную стоимость. Впервые проникнув на рынок автомобильной промышленности в качестве командных датчиков подушек безопасности, эти акселерометры сейчас все шире используются в основных узлах современных автомобилей, в том числе, антиблокировочных системах тормозов, системах охраны и сигнализации, автоматической коррекции наклона фар, управления активной подвеской и многих других системах. Перспективно их применение в так называемых “черных ящиках”, непрерывно регистрирующих параметры движения автомобиля.
Часть I: Синтез топологии микромеханического акселерометра
С появлением МикроЭлектроМеханическихСистем (МЭМС), инерциальные датчики получили существенное развитие. Такие преимущества как дешевизна, низкое энергопотребление, малые размеры, и возможность изготовления методом групповой технологии позволили инерциальным МЭМС сенсорам получить широкий диапазон применений в автомобильном, компьютерном, и навигационном рынках.
Важным направлением является разработка инерциальных МЭМС датчиков, например МЭМС акселерометров, которые имеют самую высокую степень интеграции, с чувствительным элементом и электронным интерфейсом на общей подложке.
В отличие от традиционной технологии микроакселерометры протравливаются с использованием специализированных методик, комбинирующих механическую микрообработку поверхности поликристаллического кремния и технологии электронных схем.
Соединение между микроструктурами и электронными компонентами осуществляется слоем поликристаллического кремния или диффузией примесей с большим сопротивлением и паразитной емкостью к подложке. Дополнительные технологические операции микротехнологий обычно касаются достижения компромисса между необходимой чувствительностью и процентом выхода годных чипов, и несовместимы со стандартной технологией изготовления интегральных схем (ИС).
Последовательность технологических операций, показана на рисунке 1.1. После завершения процесса литографии КМОП, следуют два этапа из сухих травлений, с образованием металлических слоёв стойких к травлению. Эти шаги нужны, для создания микроструктуры.
Технология КМОП - МЭМС имеет много преимуществ.
Совместимость с обычной технологией КМОП ИС позволяет наладить быстрое, воспроизводимое, надежное, и экономичное производство MEMS приборов, интегрированных с обычной КМОП. Микроструктуры могут быть интегрированы очень близко, расстояние может составлять всего 12 мкм от сформированных на одном кристалле схем электронной аппаратуры. Поскольку металлическая маска необходима для процесса литографии по технологии КМОП ИС, минимальный размер элемента микроструктуры 1.5мкм, что совпадает с технологией КМОП ИС. Структурные пленки выпущены с зазором приблизительно 20мкм выше подложки, обеспечивая намного меньшую паразитную емкость к подложке. Алюминиевые контакты позволяют устранить тепловой шум, вызванный сопротивлением проводов. Большое количество проводников может быть встроено в структурные слои, что позволяет создавать новые устройства с гибким дизайном, такие как полностью дифференциальные емкостные датчики, самовозбуждающиеся пружины и гироскопы в карданном подвесе. Такие устройства не могут быть созданы при гомогенно проводящих структурные слоях, которые применяются в традиционных технологиях поликристаллического кремния.
Рисунок 1.2 Поликристаллический кремний на подложке
микромеханический акселерометр интерфейс
2. Краткое описание конструкции акселерометра
Акселерометр - инерциальный датчик, применяемый для измерения линейных ускорений. Многие МЭМС акселерометры используют емкостную схему определения ускорения. Упрощенная схема емкостного акселерометра показана на рисунке 2.
Центральная часть акселерометра - подвешенная масса, которая выступает в качестве чувствительного элемента. Когда акселерометр подвергается воздействию сил инерции, чувствительный элемент вместе с подвешенными обкладками смещается относительно подложки тем самым, разбалансируя ёмкость C1 и C2, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема емкостного акселерометра
Система обратной связи используется при регулировании в замкнутом режиме или при проведении самодиагностики.
Рабочие характеристики проектируемого акселерометра - чувствительность, которая определяется как соотношение выходного напряжения к входному ускорению, минимальное измеряемое ускорение, максимальное обнаруживаемое ускорение (диапазон), ширина полосы частот пропускания. При проектировании должны учитываться ограничения данного технологического процесса, такие как размеры устройства и минимальное разрешение. Разработка должна удовлетворять всем техническим условиям и ограничениям.
Рисунок 3. Топология емкостного акселерометра поперечных ускорений
Поперечный акселерометр может быть изготовлен по технологии от MCNC или же по технологии iMEMS от Analog Devices. В обеих технологиях, в качестве структурного материала используется поликристаллический кремний из-за его высоких механических свойств. Топология емкостного акселерометра поперечных ускорений показана на рисунке 3.
3. Основные проектные параметры акселерометра
Есть много параметров для оценки рабочих характеристик акселерометра. В этом проекте, мы сосредоточились на четырех самых важных: чувствительность акселерометра, минимальное обнаруживаемое ускорение (шум), максимальное обнаруживаемое ускорение (обнаруживаемый диапазон), и ширину полосы частот пропускания.
Рисунок 4. Модель пружина - масса - демпфер для акселерометра
3.2 Уравнение движения акселерометра
Дифференциальное уравнение движения акселерометра по координате x:
где k x - жесткость пружины, B x - коэффициент демпфирования, m x - эффективная масса, F ext - внешняя сила, и a ext - внешнее ускорение.
В следующих разделах, проводятся расчёты коэффициента жёсткости пружины, массы чувствительного элемента, и коэффициента демпфирования как функции заданных переменных.
Решая уравнения движения, получаем жесткость пружины по оси х в упрощенном виде
L b1 =L b2 =L b и W b1 = W b2 = W b :
где E - Модуль Юнга поликристаллического кремния, L b и L t - длины балки и рамы, W t и W b ширины балки и рамы, I b - изгибающий момент инерции упругих балок b 1 и b 2 . Расчётная схема для вычисления жёсткости пружины приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Расчётная схема для вычисления жёсткости пружины
Из уравнения (3.5) мы можем видеть, что k x уменьшается, при увеличении L t или L b .
Жесткость в направлении по оси Y в упрощенном виде: W b 1 = W b 2 = W b
3.2.2 Методика расчета чувствительного элемента
Влияние массы пружины на резонансной частоте в различных режимах учитывается при расчёте массы чувствительного элемента. Эффективная масса для каждого интересующего режима вычислена нормализацией полного максимума кинетической энергии пружины максимальной скоростью, v max , чувствительной массы.
где m i и L i - масса и длина i'го луча в пружине. Аналитические выражения для скорости, v i , вдоль балок пружины найдены аппроксимацией от формы статического режима отклонения U-пружины.
Эффективная масса акселерометра в направлении по оси х
где mpr - полная масса чувствительного элемента, и msp,x - эффективная масса U-пружины в направлении по оси х. Полное уравнение msp,x при использовании уравнения (3.8) в общем случае очень длинно.
Для W t = W b = W и L b 1 = L b 2 = L b ,
где ? - плотность поликристаллического кремния, t - толщина поликристаллического кремния.
Эффективная масса в направлении по оси Y - такая же, как в уравнении (3.9), но обозначается эффективная масса пружины в направлении по оси Y, как msp,y вместо msp,x. Также для упрощенного случая, W t = W b = W и L b 1 = L b 2 = L b ,
где m i - масса i'ой прямоугольной группы элементов, W i и L i - ширина и длина, а r i - расстояние от центра масс прямоугольной группы элементов до центра вращения.
3.2.3 Демпфирование чувствительного элемента
Коэффициент демпфирования складывается из структурного демпфирования, так и из сопротивления воздушного потока вокруг конструкции. Так как при атмосферном давлении воздушное демпфирование - величина на порядок большая, чем структурное демпфирование, последнее игнорируется. Воздушное демпфирование в топологии акселерометров может быть рассмотрено как поток Кутта. Коэффициент потока Кутта выражается как:
где ? - вязкость воздуха, d f - толщина воздушной пленки, и A - участок пластины.
Движение газа выше пластины может быть смоделировано как поток Стокса, в котором амплитуда колебания газа затухает по экспоненте до поверхности пластины.
Коэффициент демпфирования потока Стокса:
Демпфирование газовой пленкой происходит, когда воздушный зазор между двумя близко расположенными параллельными поверхностями изменяется.
Для поперечного акселерометра, демпфирование газовой пленкой, имеющее место между зубцами гребенки, когда акселерометр движется в направлении по оси х, изменяется на поток Хагена-Пуазёйля из-за узости воздушного зазора. В этом случае, краевые эффекты представляют значительный процент от общего демпфирования . Коэффициент демпфирования потока Хагена-Пуазёйля гребенки рассчитывают по формуле:
где ?? - вязкость воздуха, l - длина зубца гребенки, t - толщина зубца гребенки, и g - воздушный зазор между двумя зубцами гребенки.
Таким образом, полный коэффициент демпфирования:
где A pm , A t , A b -размеры чувствительного элемента, пружины подвеса, и балок соответственно.
Более точная оценка приводится в разделе 3.2.2. N f - общее количество зубцов гребенки.
Протравленные отверстия могут уменьшить величину демпфирования на несколько порядков. Для того, чтобы оценить демпфирование с протравленными отверстиями, чувствительный элемент должен быть разбит на совокупность более малых параллельных пластин. Полное демпфирование - будет суммой от каждой из отдельных пластин.
3.2.4 Электростатический компенсатор
В элементах силовой обратной связи, показанных на рисунке 2, сила электростатического поля используется для силовой балансировки обратной связи или самодиагностики. Не принимая никаких предельных эффектов поля сила электростатического поля для пары зубцов гребенки:
где V dr - напряжение возбуждения, g f - зазор силового зубца гребенки и C F - емкость между силовыми зубцами гребенки. Из уравнения (3.17) мы видим, что, сила электростатического поля имеет квадратичную зависимость от напряжения на гребнях
Равнодействующая сила, линейно зависящая от управляющего напряжения V dr :
В чувствительных элементах, при подаче модуляционного напряжения, V m , между чувствительными зубцами гребенки, возникают силы электростатического притяжения как показано на рисунке 6. Это приводит к изменению фактического значения эффективной жёсткости пружины от ее чисто механического значения.
Равнодействующая сила, приложенная к одному зубцу гребенки:
где g 0 - начальный зазор между зубцами гребенки, A = l перекрытия t зубца - участок боковины зубца гребенки, и C 0 - начальная емкость между зубцами гребенки, когда x = 0.
Рисунок 6. Модель электростатической пружины
Эффективная жёсткость электростатической пружины получена, дифференцированием уравнения (3.19), при x«g 0 ,
Электростатические силы действуют в противоположном направлении относительно механической силы пружины, таким образом, фактическое эффективное значение жёсткости пружины - k eff = k mech + k e .
3.3 Показатели назначения акселерометра прямого измерения
Акселерометр может эксплуатироваться как с обратной связью, так и без неё. В режиме с обратной связью, чувствительный элемент компенсируется восстанавливающей силой противодействующей движению. Акселерометр без обратной связи значительно проще и дешевле.
3.3.1 Чувствительность акселерометра
Чувствительность акселерометра определяется как отношение выходного напряжения ко входному ускорению.
Она определяется не только конструкцией механической части датчика, но и параметрами измерительных цепей. Механическая чувствительность акселерометра определяется смещением чувствительного элемента при действии ускорения.
При частотах значительно ниже резонансной (?«? r ) механическая чувствительность будет:
Из уравнения (3.22) мы можем видеть, что механическая чувствительность является обратно пропорциональной к квадрату резонансной частоты. Для достижения высокой чувствительности, резонансная частота должна быть достаточно низкой. Практически, есть предел для ? r связанный с механической (ударной) прочностью и конструкцией.
Мы выбираем, часто используемый асимметричный полумостовой емкостный чувствительный интерфейс, для перевода смещения чувствительного элемента в выходные напряжения, как показано на рисунке 7, потому что эта схема легка для внедрения в MUMPS и технологию iMEMS.
На рисунке 7, C 1 и C 2 - ёмкости между подвижным зубцом гребенки и ближайшим к нему неподвижным зубцом гребенки. Модуляционное напряжение V m приложено между данными зубцами гребенки. Модуляционные напряжения обычно эксплуатируются на высокой частоте, для подавления смещения и фликер-шума. C пар - полная паразитная емкость на выходе узла V o , включающая паразитную емкость от эффективной массы к подложке, паразитную емкость якорей и ёмкость от схем формирования сигнала.
Применение закона тока Кирхгоффа в узле Vo показано на рисунке 7
Когда нет внешнего ускорения, подвижный зубец гребенки расположен посередине между двумя неподвижными чувствительными зубцами гребенки, C 1 = C 2 = C 0 , и выходное напряжение V o - равно нулю. Под действием ускорения, чувствительный элемент сдвигается на смещение x определяемое уравнением (3.22) при этом C 1 , и C 2 более не равны.
Рисунок 7. Чувствительный интерфейс акселерометра
Используем плоскопараллельную модель для аппроксимации емкости и предположим, что смещение x - величина малая по сравнению с величиной щели g 0 :
Решая систему (3.23) и (3.24), получим:
Тогда чувствительность акселерометра будет равна:
Чувствительность обратно пропорциональна начальному зазору между чувствительными зубцами гребенки. Для повышения чувствительности необходимо минимизировать паразитную емкость. Заметим, что полученная нами чувствительность включает только механическую структуру и емкостной чувствительный интерфейс. В дальней
Методика расчета емкостного интерфейса микромеханического акселерометра дипломная работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Методы Формирования Физической Культуры Личности Реферат
Сочинение Про Сильную Личность Обществознание 6 Класс
Курсовая Работа По Маркетингу Анализ Рынка
Курсовая работа по теме Особливості територіально–галузевої структури Автономної Республіки Крим
Контрольная работа по теме Революционные народники
Тест На Тему Надежность Технологических Машин
Сочинение На Тему Как Вы Понимаете
Лекция На Тему Правила Роботи На Радіостанції Р-173
Реферат: Спортивный массаж
Реферат На Тему Технология Производства
Реферат: Языковые особенности научного стиля. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат: Русская культура ХVII века. Скачать бесплатно и без регистрации
Тайм Менеджмент В Работе Педагога Реферат
Курсовая работа по теме Проектирование и исследование механизмов колёсного трактора
Реферат: Видимий рух Місяця Сонячні та місячні затемнення
Реферат: Самооценка личности. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая Работа На Тему Семеноводство Ячменя
Курсовая работа по теме Организация технологического процесса производства консервного цеха
Реферат: Совершенствование разработки трудноизвлекаемых запасов на основе комплексного анализа информации
Курсовая работа по теме Защита груши от вредителей, болезней и сорняков
Риторика - Иностранные языки и языкознание реферат
Конституционно-правовые основы судебной власти в зарубежных странах - Государство и право презентация
Земельна реформа: сучасний правовий стан та розвиток - Государство и право курсовая работа