СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2013 года по МПК G01H11/00 

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

$${К}_{пер}=\frac{U_{вых}}{U_1}=\frac{X_{Coo}}{X_{C1}}=\left(\frac{1}{j\cdot w\cdot C_{oc}}\right)÷\left(\frac{1}{j\cdot w\cdot C_1}\right)=\frac{C_1}{C_{oc}}$$ , 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:

$$\begin{array}{l}{U}_{вых1}=U_1\cdot {К}_{пер}=U_1\cdot \frac{C_1}{C_{oc}}=U_1\cdot \frac{\left(C_o+\Delta C\right)\cdot \left(1+A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)}{C_{oc}}\\ =U_1\frac{C_o}{C_{oc}}\left(1+A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)+U_1\frac{\Delta C}{C_{oc}}\left(1+A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)=\\ k\left(U_o+U_{г}\cdot \sin \left(wt\right)\right)\cdot \left(1+A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)+k_1\left(U_o+U_{г}\cdot \sin \left(wt\right)\right)\cdot \left(1+A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)\end{array}$$

где $$k=\frac{C_o}{C_{oc}}$$ , $$k_1=\frac{\Delta C}{C_{oc}}$$ .

В силу симметрии напряжение U₂ создает на выходе усилителя сигнал

$$\begin{array}{l}{U}_{вых2}=U_2\cdot {К}_{пер}=U_2\cdot \frac{C_2}{C_{oc}}=U_2\cdot \frac{\left(C_o-\Delta C\right)\cdot \left(1-A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)}{C_{oc}}=\\ U_2\frac{C_o}{C_{oc}}\left(1-A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)-U_2\frac{\Delta C}{C_{oc}}\left(1-A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)=\\ k\left(U_o-U_{г}\cdot \sin \left(wt\right)\right)\cdot \left(1-A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)-k_1\left(U_o-U_{г}\cdot \sin \left(wt\right)\right)\cdot \left(1-A_{мех}\cdot \sin \left(wt\right)\right)\end{array}$$

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:

$$U_{A1}=2\frac{\Delta C}{Coc}\left(U_o{A}_{мех}+U_{Г}\right)$$ , при условии U_Г>>U_oA_мех получим $$U_{A1}\approx 2\frac{\Delta C}{Coc}{U}_{Г}$$

$$U_{A2}=2\frac{Co}{Coc}{U}_2{A}_{мех}$$

Запишем отношение амплитуд U_A1 и U_A2:

$$\frac{U_{A1}}{U_{A2}}=\frac{2U_2\Delta C}{C_{oc}}\cdot \frac{C_{oc}}{2C_o{U}_2{A}_{мех}}=\frac{2\Delta C}{C_o{A}_{мех}}$$

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

Изобретение относится к микромеханике и предназначено для измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств. Способ включает формирование на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей, из которых формируется компенсационный ток, равный первой гармонике суммы токов, протекающих через конденсаторы. При этом на подвижной обкладке поддерживается постоянное, равное нулю напряжение. Формирование компенсационного тока проводят итерацией, изменяя амплитуду компенсационного тока и при необходимости фазу для достижения минимальной амплитуды первой гармоники выходного сигнала. Разница компенсационного заряда и суммы, протекающих через конденсаторы зарядов, преобразуется в пропорционально-зависимое выходное напряжение. При этом в выходном сигнале выделяется вторая гармоника. Амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства определяется отношением второй гармоники выходного напряжения к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение точности измерения амплитудно-частотных характеристик. 2 ил.

Способ измерения амплитудно-частотных характеристик чувствительных элементов микромеханических устройств, содержащих подвижный элемент, являющийся общей обкладкой дифференциального конденсатора переменной емкости, заключающийся в формировании на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей и установке на подвижной обкладке постоянного смещения, равного нулю, при этом амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства вычисляется отношением второй гармоники выходного напряжения к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора, отличающийся тем, что из гармонических сигналов на неподвижных обкладках конденсатора формируют компенсационный ток, находящийся в противофазе, но равный по амплитуде первой гармонике суммы токов, протекающих через конденсаторы, и производят преобразование суммы компенсационного заряда и зарядов, протекающих через конденсаторы, в пропорционально-зависимое выходное напряжение, причем формирование компенсационного тока проводят итерацией - в начале компенсационный ток устанавливают равным нулю и измеряют в выходном напряжении амплитуду первой гармоники, далее 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°, 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.