Микросистемный индикатор электрических полей космических аппаратов Российский патент 2018 года по МПК G01R29/12 

Изобретение относится к области микросистемной измерительной техники и может быть использовано для детектирования напряженности электрического поля на поверхности конструкции космического аппарата.

Из уровня техники известен ротационный измеритель напряженности электрического поля [1-6], действие которого основано на детектировании электрического поля при вращении двигателем измерительного электрода, при этом экранирующий электрод неподвижен.

Из уровня техники также известен флюксметр [7-13], в устройстве которого двигатель производит вращение экранирующего электрода, при котором измерительный электрод неподвижен, а также вибрационные датчики приборы, в которых измерительный или экранирующий электроды совершают колебательное, возвратно-поступательное движение.

Недостатками вышеуказанных конструкций является невозможность длительной работы в условиях вакуума при воздействии значительных перепадов температуры, вибрации, ударов. Из-за нестабильности скорости вращения двигателя, приводящей к ошибкам измерений. Кроме того, двигатель создает значительные помехи в измерительной системе. Другими недостатками известных технических решений, являются невозможность длительных непрерывных измерений, довольно низкая их чувствительность и крупногабаритность конструкции.

Известны датчики вибрационного типа [14-21], в которых измерительный или экранирующий электрод колеблются в области неоднородного поля под действием электромагнитного возбудителя. Приборы данного вида свободны от большинства недостатков приборов первых двух классов, однако они имеют недостаточную чувствительность вследствие того, что размеры и амплитуда перемещения электродов в них меньше чем в флюксметрах и ротационных датчиках.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является датчик электростатического поля, описанный в авторском свидетельстве СССР №881628. В данном техническом решении датчик содержит чувствительный электрод, подключенный к блоку регистрации и две катушки индуктивности, расположенные соосно и подключенные к генератору переменного напряжения, при этом чувствительный электрод расположен под углом 3-10° к оси катушек индуктивности.

Недостатком ближайшего аналога являются существенные массогабаритные параметры.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является уменьшение массогабаритных характеристик прибора по сравнению с известными аналогами.

Предлагаемый микросистемный индикатор электрических полей космических аппаратов состоит из последовательно соединенных микромеханического исполнительного элемента на подложке, усилителя тока, и аналого-цифрового преобразователя.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются чертежами, где показано следующее.

На фиг. 1а, 6 представлен вид сверху и вид в аксонометрии варианта конструкции микромеханического исполнительного элемента на подложке, где ссылочными позициями обозначено следующее:

1 - подложка;

2 - отверстие в подвижном экранирующем электроде;

3 - чувствительный электрод;

4 - подвижный экранирующий электрод;

5 - упругие гибкие подвесы подвижного экранирующего электрода;

6 - контактные площадки;

7 - металлизированные дорожки.

Конструкция имеет минимум четырех упругих гибких подвеса, симметрично закрепленных относительно друг друга и чувствительного электрода на подложке и удерживающих подвижный экранирующий электрод.

Подвижный экранирующий электрод с отверстием по центру расположен так, что ось симметрии чувствительного электрода равноудалена от внутреннего края отверстия подвижного экранирующего электрода. Диаметр подвижного экранирующего электрода составляет не менее 1/3 габаритного размера микромеханического исполнительного элемента. Подвижный экранирующий электрод выполнен из магнитомягкого материала.

Чувствительный электрод, сформирован на подложке в центре отверстия подвижного экранирующего электрода, при этом диаметр чувствительного электрода меньше диаметра отверстия подвижного экранирующего электрода. Чувствительный электрод имеет возможность углубления внутрь или выдвижения из отверстия подвижного экранирующего электрода при его колебаниях. Чувствительный электрод выполнен из твердого материала, обладающего свойствами ферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью.

Чувствительный и экранирующий электроды изготовлены в едином цикле на подложке с помощью технологии поверхностной микрообработки линейного перемещения подвижного элемента в одной плоскости.

Металлизированные дорожки с контактными площадками на подложке для электрического контакта усилителя тока одним выводом соединены с одним из четырех упругих гибких подвесов, а другим выводом с чувствительным электродом.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение (А-А) микромеханического исполнительного элемента на подложке, где 8 - катушка индуктивности.

На фиг. 3 приведены основные размеры составных частей исполнительного элемента сформированного на подложке:

а - габаритные размеры исполнительного элемента микросистемного индикатора электрических полей - не более 1,2⋅10³ мкм;

b - диаметр подвижного экранирующего электрода - не более 4⋅10² мкм;

с - габаритные размеры опор - не более 10 мкм.

На фиг. 4 представлена структурная схема микросистемного индикатора электрических полей, где:

9 - усилитель тока;

10 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

На фиг. 5 представлена электрическая схема микросистемного индикатора электрических полей, отражающая взаимосвязь исполнительного элемента с усилителем и аналого-цифровым преобразователем.

Устройство работает следующим образом.

Входящий в состав микромеханического исполнительного элемента экранирующий электрод (3) находится под влиянием магнитного поля катушки индуктивности. При колебаниях экранирующего электрода (4) под влиянием магнитного поля катушки индуктивности, чувствительный электрод (3) имеет постоянное значение потенциала. При появлении электрического поля порового уровня, значение потенциала чувствительного электрод (3) изменится. Чувствительный электрод (3) подключен к входному усилителю тока. Сигнал об изменении потенциала чувствительного электрода (3) поступает на усилитель (9). После усиления сигнала, происходит детектирование сигнала аналого-цифровым преобразователем (10). После усиления и синхронного детектирования на выходе получается напряжение, пропорциональное напряженности электрического поля, имеющее соответствующий знак. Напряжение с выхода микросистемного индикатора электрических полей поступает на передающее устройство.

Заявленное изобретение обеспечивает создание миниатюрных устройств для детектирования электрических полей, образовавшихся в результате накопления поверхностью космических аппаратов электростатических зарядов.

Кроме снижения массогабаритных характеристик разработанная конструкция позволяет повысить радиационную стойкость до 10⁶ рад, вследствие слабой чувствительности исполнительных элементов микросистемной техники к данному типу воздействия, уменьшить мощность потребления устройства (не менее 10%), повысить работоспособность в условиях открытого космоса, а также устойчивость к жестким климатическим условиям эксплуатации.

Взаимодействие индикаторов электрических полей с активными системами защиты от электростатических зарядов космических аппаратов позволит существенно повысить надежность бортовой аппаратуры КА.

Источники информации

1. Авторское свидетельство 580525 от 15.11.77 «Датчик электростатического поля».

2. Авторское свидетельство 593165 от 15.02.78 «Датчик для регистрации плотности статистического электричества».

3. Патент RU 2199761 от 27.02.2003 «Устройство для измерения напряженности статического и квазистатического электрического поля».

4. Патент США на изобретение US 6483223 "Method to prevent charging effects in electrostatic devices". Victor Donald Samper, Uppili Sridhar, Olaf Knueppel, Feng Han Hua, Hui Wing, Cheong. Institute of Microelectronics. 19.11.2002.

5. Авторское свидетельство 653583 от 11.05.77 «Датчик электростатического поля».

6. Авторское свидетельство 769455 от 26.12.78 «Датчик электростатического поля».

7. Авторское свидетельство 629513 от 28.08.78 «Датчик электростатического поля».

8. Авторское свидетельство 718809 от 28.02.80 «Измеритель напряженности электростатического поля».

9. Авторское свидетельство 1116399 от 21.04.83 «Устройство для измерения напряженности электрического поля».

10. Авторское свидетельство 1201784 от 16.12.83 «Устройство для измерения напряженности электрического поля СВЧ».

11. Патент RU 2020497 от 30.09.1994 «Датчик электростатического поля»

12. Патент RU 2028636 от 09.02.1995 «Устройство для измерения напряженности электростатического поля».

13. Патент RU 2442183 от 10.02.2012 «Датчик измерителя напряженности электростатического поля».

14. Авторское свидетельство 845119 от 20.03.78 «Датчик электростатического поля».

15. Авторское свидетельство 881628 от 05.10.79 Датчик электростатического поля».

16. Авторское свидетельство 1709246 от 07.04.88 «Датчик электростатического поля».

17. Патент RU 2212678 от 20.09.2003 «Устройство для измерения напряженности электростатического поля».

18. Патент RU 2414717 от 20.03.2011 «Датчик электростатического поля и способ измерения электростатического поля».

19. Патент RU 2445639 от 20.03.2012 «Способ измерения напряженности электрического поля».

20. Заявка США на изобретение US 2009/0273337 «Electric field sensor with electrode interleaving vibration». Shanhong XIA, Chao YE, Chao GONG, Xianxiang CHEN, Qiang BAI, Shaofeng CHEN, 5.11.2009.

21. Патент WO 2014045406 от 27.03.2014 «Potential measuring device»

Использование: для изготовления микромеханических датчиков. Сущность изобретения заключается в том, что микросистемный индикатор электрических полей космических аппаратов включает: а) микромеханический исполнительный элемент, состоящий из подложки; подвижного экранирующего электрода с отверстием по центру; как минимум четырех упругих гибких подвесов, симметрично закрепленных относительно друг друга и чувствительного электрода на подложке и удерживающих подвижный экранирующий электрод; чувствительного электрода, сформированного на подложке в центре отверстия подвижного экранирующего электрода, при этом диаметр чувствительного электрода меньше диаметра отверстия подвижного экранирующего электрода; металлизированных дорожек с контактными площадками на подложке для электрического контакта усилителя тока одним выводом с одним из четырех упругих гибких подвесов, а другим выводом с чувствительным электродом; подвижного экранирующего электрода, расположенного так, что ось симметрии чувствительного электрода равноудалена от внутреннего края отверстия подвижного экранирующего электрода; б) катушку индуктивности; в) усилитель тока; г) аналого-цифровой преобразователь, при этом подвижный экранирующий электрод с помощью катушки индуктивности приводится в колебательное движение на частоте механического резонанса, чувствительный электрод соединен с усилителем тока, выход усилителя тока соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом микросистемного индикатора электрических полей, обеспечивающих детектирование напряженности электрического поля на поверхности конструкции космического аппарата. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения массогабаритных характеристик прибора. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Микросистемный индикатор электрических полей космических аппаратов, характеризующийся тем, что включает:

а) микромеханический исполнительный элемент, состоящий из:

- подложки;

- подвижного экранирующего электрода с отверстием по центру;

- как минимум четырех упругих гибких подвесов, симметрично закрепленных относительно друг друга и чувствительного электрода на подложке и удерживающих подвижный экранирующий электрод;

- чувствительного электрода, сформированного на подложке в центре отверстия подвижного экранирующего электрода, при этом диаметр чувствительного электрода меньше диаметра отверстия подвижного экранирующего электрода;

- металлизированных дорожек с контактными площадками на подложке для электрического контакта усилителя тока одним выводом с одним из четырех упругих гибких подвесов, а другим выводом с чувствительным электродом;

- подвижного экранирующего электрода, расположенного так, что ось симметрии чувствительного электрода равноудалена от внутреннего края отверстия подвижного экранирующего электрода;

б) катушку индуктивности;

в) усилитель тока;

г) аналого-цифровой преобразователь,

при этом подвижный экранирующий электрод с помощью катушки индуктивности приводится в колебательное движение на частоте механического резонанса, чувствительный электрод соединен с усилителем тока, выход усилителя тока соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом микросистемного индикатора электрических полей.

2. Микросистемный индикатор электрических полей по п. 1, характеризующийся тем, что чувствительный электрод выполнен из твердого материала, обладающего свойствами ферромагнетика с высокой магнитной проницаемостью.

3. Микросистемный индикатор электрических полей по п. 1, характеризующийся тем, что подвижный экранирующий электрод выполнен из магнитомягкого материала.

4. Микросистемный индикатор электрических полей по п. 3, характеризующийся тем, что диаметр подвижного экранирующего электрода составляет не менее 1/3 габаритного размера микромеханического исполнительного элемента.

5. Микросистемный индикатор электрических полей по пп. 1-4, характеризующийся тем, что чувствительный электрод имеет возможность углубления внутрь или выдвижения из отверстия подвижного экранирующего электрода при его колебаниях.