ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК G01B21/02 H01L23/34 

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к устройству измерения перемещений, имеющих большое значение в робототехнике, прецизионных механизмах при эксплуатации сооружений и металлоконструкций и т.д. Помимо перемещений как таковых, имеет практическое значение измерение малых смещений, вызванных тепловым расширением и деформациями, контроль которых необходим в устройствах обратной связи оборудования прецизионной механической обработки. Очень часто измерение перемещения служит одной из ступеней более сложного преобразования сигнала: так смещение диафрагмы используется в мановакууметрах, биметаллических датчиках и реле, деформации консолей в силоизмерителях и акселерометрах, перемещение поплавков - в уровнемерах и т.д.

Вследствие огромного диапазона применений используются многие типы датчиков, функционирующих на разных принципах, являющихся аналогами предполагаемого изобретения. Характеристики наиболее распространенных из них приводятся ниже.

Потенциометрические датчики основаны на измерении электрического сопротивления проводника, меняющегося с помощью движущегося контакта.

Имеют следующие недостатки:

- перемещение контакта требует заметного усилия, которое суммируется с измеряемым его значением, искажая результат;

- трение в контакте и магнитное возбуждение приводят к нагреву и паразитному изменению сопротивления, компенсировать которое очень сложно;

- низкая стабильность вследствие незащищенности контактной зоны от воздействий окружающей среды.

Оптические датчики деформации или смещений могут функционировать на принципе отклонения луча или пошаговое квантованное измерение с использованием рейки, состоящей из непрозрачных и просвечивающих площадок (оптический генератор приращений). В этом датчике считывание производится при помощи источника света: светодиода и приемника-фототранзистора, расположенных с противоположных сторон рейки.

Недостаток оптического датчика перемещений состоит в ограниченной чувствительности, так как шаг измерения прозрачности не может быть меньшим, чем несколько микрометров, а аналоговое измерение силы света в пределах одного прозрачного окна в обычных условиях невозможно из-за неизбежного влияния запыленности и геометрического несовершенства «окна».

Пьезоэлектрические датчики основаны на электризации кристалла под действием силы. Поскольку деформация при этом невелика, такие преобразователи используются как датчики силы и давления, где величина перемещения редко превышает 0,2-0,5 мм. Недостатки пьезоэлектрических датчиков проявляются в хрупкости материала - пьезокерамики, ненадежности металлических контактов к ней, чувствительности к внешним воздействиям как активного материала, так и измерительной схемы, в которой может по разным причинам наводиться переменная паразитная ЭДС, обусловливающая погрешность.

Емкостные датчики по достигаемому результату являются наиболее распространенным и универсальным средством измерения микроперемещений в диапазоне 0-2 мм, содержит две обкладки конденсатора, изменение расстояния между которыми приводит к пропорциональному изменению емкости, преобразуемой в выходной сигнал с помощью резонансной мостовой или емкостно-диодной схемы. Такая конструкция / US Patent 5006952 - Capacitive transducers - аналог / рассматривается в качестве аналога. Недостатки емкостного датчика относятся главным образом к измерению очень высоких внутренних сопротивлений, достигающих на частоте 50 Гц 10^7 и более Ом. При этом неизбежны погрешности, обусловленные токами утечки, на которое влияет непостоянство сопротивления изоляции. Для уменьшения сопротивления частоту питания увеличивают вплоть до ед. МГц, но тогда провода и элементы измерительной цепи необходимо экранировать. Любые изменения состояния экранировки (влажность атмосферы, вибрации, изменения положения токоведущего провода относительно экрана и т.д.) приводят к погрешности. Для ее снижения по возможности сокращают длину цепи, а вторичный прибор располагают вблизи чувствительного элемента и термостатируют, что существенно усложняет и удорожает прибор. Трудности при измерениях частично устраняются при изготовлении датчика перемещений методами микроэлектроники / US Patent Application 20050223811 - Precision multi-dimensional capacitive transducer - прототип /, так как удается совместить емкостной датчик и схему обработки на одном кристалле. К недостаткам можно отнести малый, не более 20 микрометров, диапазон измеряемых перемещений и возможность возникновения электрического разряда в межэлектродном пространстве. Такая возможность возникает при прохождении через микроэлектронный датчик измерительного тока высокой частоты, часто при зазорах между электродами в единицы микрометров величина напряженности электрического поля превышает пробивное напряжение газовой среды, в которой находится датчик. Электрический разряд в этом случае приводит к распылению материала обкладок, что, в свою очередь, означает изменение чувствительности и уход нулевого значения.

Цель изобретения состоит в том, чтобы создать датчик перемещений для измерения в диапазоне 5-800 микрометров, обладающего повышенной точностью и стабильностью показаний.

Поставленная цель достигается тем, что датчик перемещения содержит термостабилизированный микронагреватель, содержащий резистор, токовводы и металлические контактные площадки, и приемник тепла, перемещающийся от микронагревателя на расстояние 5-800 микрометров под действием приложенной силы, давления, в том числе акустического, или находящийся в стационарном состоянии, но изменяющий размер в результате усадки, теплового расширения электро- и магнитострикции, отличается тем, что микронагреватель выполнен из монокристаллического кремния, микронагреватель имеет форму балки переменного сечения, широкая часть которой является резистором и содержит область противоположного типа проводимости, а узкая токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок для формирования на них металлических контактов. Устройство микронагревателя в разрезе представлено на фиг.1, где

1 - резистор;

2 - токовводы;

3 - подконтактная диффузия;

4 - контактные площадки.

В качестве источника тепла выступает любое массивное тело.

Новизна заявляемого изобретения заключается в том, что в качестве датчика перемещений используется кремниевый монокристаллический микронагреватель, а измеряемым сигналом служит величина тепловых потерь от микронагревателя к приемнику тепла. Реализация осуществлена в приборе для измерения остаточного давления, известном под общим названием «баратон». В качестве чувствительного элемента, используемого для измерения абсолютного давления, применяется тонкая мембрана, к которой, с одной стороны, подводится калиброванное давление, а с другой - давление, измеряемое в рабочей камере. Перемещение мембраны, измеряемое в таких приборах, служит показателем давления в рабочей камере. Датчик перемещения закрепляется в неподвижное относительно мембраны основание. Массивная рамка жестко крепится к тонкой барочувствительной мембране, которая с другой стороны герметично соединяется с рабочим объемом камеры. Перемещение массивной рамки относительно датчика перемещения является сигналом изменения давления в камере. Для точного измерения величины теплового потока необходимы контроль и поддержание постоянной температуры микронагревателя. Для этого используется специфическая особенность монокристаллических полупроводников, а именно наличие перехода от примесной электропроводности к собственной, что фиксируется схемой обработки как изменение знака температурного коэффициента сопротивления с положительного на отрицательный, в зависимости от которого схемой осуществляется увеличение или уменьшение величины тока, протекающего через микронагреватель. Однако переход от примесной электропроводности к собственной происходит в диапазоне 15-20К, что затрудняет вычисление знака температурного коэффициента сопротивления, так как в этом диапазоне его величина близка к нулю, в результате увеличивается погрешность поддержания температуры микронагревателя. Сделать переход более резким возможно при изготовлении в резистивной части микронагревателя области с противоположным типом проводимости. При температурах ниже температуры перехода эта область электрически изолирована p-n переходом, а выше - изоляция исчезает, и проводимость резистивной части микронагревателя резко увеличивается.

Была изготовлена экспериментальная установка измерения микроперемещений. На фиг.2 показан график зависимости выходного сигнала микронагревателя-терморезистора от расстояния до измеряемого объекта. При шаге «оцифровки сигнала» ±0,1 мВ точность измерения микроперемещений составляет ±20 нм. Конструкция реализована в приборе для измерения остаточного давления. В качестве чувствительного элемента используется тонкая мембрана, к которой, с одной стороны, подводится калиброванное давление, а с другой - давление, измеряемое в рабочей камере. Перемещение мембраны служит показателем давления в рабочей камере. Получены следующие метрологические характеристики на различных диапазонах измерений остаточного давления: 1 Атм…10000 Па - ±100 Па; 10000 Па… 1000 Па - ±10 Па. Таким образом, экспериментальный образец прибора не уступает по характеристикам, выпускаемым на данный момент подобного класса приборам.

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к устройству измерения перемещений, имеющих большое значение в робототехнике, прецизионных механизмах при эксплуатации сооружений и металлоконструкций и т.д. В качестве датчика перемещений используется кремниевый монокристаллический микронагреватель, а измеряемым сигналом служит величина тепловых потерь от микронагревателя к приемнику тепла. Микронагреватель имеет форму балки переменного сечения, широкая часть которой является резистором и содержит область противоположного типа проводимости, а узкая токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок для формирования на них металлических контактов. Величина перемещений находится в пределах 5-800 микрометров, точность измерения составляет ±20 нм. Технический результат - повышение точности и стабильности показаний датчика. 1 ил.

Датчик перемещения, содержащий термостабилизированный микронагреватель, содержащий резистор, токовводы и металлические контактные площадки, отличающийся тем, что микронагреватель выполнен из монокристаллического кремния, микронагреватель имеет форму балки переменного сечения, широкая часть которой является резистором и содержит область противоположного типа проводимости, а узкая - токовводами, в которых сформированы области низкоомного кремния и имеется силицидное покрытие, причем окончания токовводов выполняются в виде площадок для формирования на них металлических контактов.