Тензоакселерометр Советский патент 1985 года по МПК G01P15/12 

.//4,

Фиг.1 Изобретение относится к измерител ной технике и может бв1ть использовано в датчиках механических величин, например вибрации, давления, линейны ускорений и т.п. Известен тензоакселерометр, содержащий корпус с расположенной в нем консольно защемленной балкой U инерционной массойна конце, на которой методами пленарной технологии выполнены тензопреобразователь и элементы, стабилизирующие его температуру 1. Указанный тензоакселерометр обесп печивает при соответствующем подборе компенсационных резисторов компенсацию температурных измерений тензочувствительности. Недостатки его :заключаются в применении методов тер мокомпенсации с использованием пассивных навесных резисторов и термис- торов, включенных в тензопреобразователь. Эти методы предполагают использование для термокомпенсации технологически несовместимых навесны элементов,что приводит к существенно му усложнению тензопреобразователей ( увеличение времени подготовки к работе, увеличению габаритов, веса и потребляемой мощности). Выполнение акселерометра с компенсацией по этому принципу приводит к резкому шению точности измерения вследствие меньшей точности поддержания стабиль ности температуры тензопреобразовате ля. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является тен зоакселерометр, содержащий корпус с расположенной в нем консольно защемленной балкой с инерционной массой на конце,на которой выполнены тензорезисторы, включенные по мостовой схеме,и на греватель в виде диффузионного резисто ра, расположенного вокруг тензорезис торов О 23. .Преимуществом известного тензоакселерометра является то, что в связи с использованием кольцеобразного нагревателя в виде диффузионного резистора повышается точность измерения, так как нагреватель распо ложен вокруг тензорезисторов и позвог ляет с большей точностью поддерживат стабильность температуры тензопреобразователя. Недостатком известного тензоакселерометра является то, что нагрева тель, выполненный в виде диффузионного резистора, обеспечивает поддержание постоянной температуры путем регулирования напряжения, подаваемого на диффузионный резистор с помощью полевого транзистора,т.е. требует подключения к нагревателю дополнительного навесного элемента. Использование навесного элемента в виде полевого транзистора приводит, с одной стороны, к усложнению технологии изготовления тензоакселерометра, с другой стороны, увеличивается мощность потребления за счет большей рассеивающей мощности полевого транзистора, работающего в режиме генератора тока, Это в ряде случаев вносит погрешность в измерения деформации и функционально связанных с ней величин, уменьшая точность измерения. Цель изобретения -. повьш1ение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в тензоакселерометра, содержащем корпус с расположенной в нем консольно защемленной балкой с инерционной массой на конце, на которой методами планарной технологии выполнен., кольцеобразный нагреватель, в последнем расположены тензопреобразователь и датчик температуры, нагреватель и элементы тензопреобразователя выполнены на основе МДП-транзисторов, датчик температуры вьтолнен в виде инвертора на дополнительных МДП-транзисторах, внутренние и внешние края нагревателя образованы истоком и стоком МДП-транзистора, которые вместе с входами тензопреобразователя и с входами датчика температуры подключены к внешнему источнику питания, а затвор МДП-транзистора нагревателя подк.шочен к выходу датчика температуры. На фиг.1 представлена конструктивная схема тензоакселерометра; на фиг.2 - балка тензоакселерометра с областью расположения на ней тензопреобразователя, датчика температуры и нагревателя; на фиг.З - структурная схема термостабилизации температуры; на фиг.4 - принципиальная электрическая схема. Тензоакселерометр содержиткорпус 1 с расположенной в нем консолью, защемленной в основании 2кремниевой балкой 3 с инерционной массой 4 на конце. На балке 3 в зоне 5 деформации расположены кольцеобразный нагре ватель 6, тензопреобразователь 7 и датчик 8 температуры. Принципиальная электрическая схем тензоакселерометра (фиг.4) содержит тензопреобразователь, вьтолненный на основе тензочувствительных МДПтранзисторов 9-12, соединенных по мостовой схеме, датчика температуры в виде инвертора на дополняющих МДП-транзисторах 13 и 14 и нагревате ля на основе МДП-транзистора 15. По-следний электрически связан истоком Истоком с входами тензопреобразователя и с входами датчика температуры, а затвор связан с выходом датчика температуры. Устройство работает следующим образом. По действием деформации малые изменения токов стока МДП-транзисторов вызьшают большие изменения напряжения на выходе из-за большого выходного сопротивления МДП-транзисторов 9-12. Изменения напряжения на стоке регистрируется измерительными: приборами на выходе. Параметры МДП-транзистора существенно зависят от температуры окружающей среды, что приводит к погрешностям измерения, вызванньм влиянием температурных колебаний, кроме того, темпера турные зависимости параметров МДПтранзисторов вьш1е, чем у диффузионных элементов, поэтому целесообразно использовать термостабилизацию как один из самых эффективных способов устранения температурных погрешностей, а не термокомпенсацию. При стабилизации- температуры балки-3 температурный дрейф и температурная зависимость тензочувствительности будут отсутствовать или существенно уменьшаться. Поэтому для постоянства зависимости изменения напряжения на выходе тензопреобразователя, состоящего из МДП-транзисторов 9-12, под . действием деформации при изменении температуры окружающей среды на одно

кристалле с тензопреобразователем вьтолнены методами планарной технологии дополнительные стабилизирующие элементы: кольцеобразный нагреватель в виде МДП-транзистора 15, датчик температуры в виде инвертора на МДП-транзисторах 13 и 14. Для уменьшения температурных погрешностей

коэффициент чувствительности составляет величину,не превьш1ающую 0,01 %°с7 {У известного, тензоакселерометра выходной сигнална уровне 100 мВ при тех же уровнях деформации и температурный коэффициент ,1% ).В диапазоне измерения температуры окружаю-, щей среды на 120G температура кристензопреобразователя, ввиду сложного характера температурных зависимостей используют систему термостабилизации разогревом (микростатирование при 60 ° С ). Зависимость мощности, вьщеляемой в МДП-транзисторе 15 (нагревателе) при , от изменения температуры окружающей среды в пределах ±60с измерялась по величине ЭДС термопары, а температура кристалла фиксировалась по прямому падению напряжения на датчике температуры. После замыкания петли термостабилизации путем соединения выхода инвертора датчика температуры с затвором разогревающего МДП-транзистора схема термостабилизации начинает, отрабатывать сигнал .рассогласования пока температура кристалла не становится равной заданной (+60°С .Время отрабатьгоания системы 1,5 с и оценивается при помощи осциллографа. Кроме того, в случае использования в качестве термостабилизирующего элемента МДП-трьнзистора не требуется дополнительного источника питания, так как МДП-транзистор (нагреватель истоком и стоком связан с входами тензопреобразователя, а на затвор транзистора может быть подано напряжение непосредственно с выхода датчика температуры и тем самым осуществляется регулирование температуры чувствительного элемента без введения дополнительных усилительно-преобразующих схем, для управления требуется очень малая мощность, так как сопротивление затвор-исток, затвор-сток очень высоки и управляющий ток мал, значительно упрощается технология изготовления чувствительного элемента, а следовательно, упрощается конструкция тензоакселерометров в целом, резко снижается время их подготовки к работе. Испытания лабораторных образцов тензоакселерометров показали, что такие тензоакселерометры обспечивают выходной сигнал на уровне 1 В при деформации 2.10 и температурный талла изменялась не более чем на . Точность поддержания температу ры можно увеличить путем увеличения теплосопротивления. При В отношение выходного сигнала к темперабурному изменению начального разбала са равно 4,2 без термостабилизации и 170 с термостабилизацией при ё 1,3 Ю ,т.е. выходной сигнал при поддержании температуры кристалла . постоянной не зависит от температуры окружающей среды, отсутствует дрейф нулевого уровня (у известных акселерометров подобного типа без термоста билизации дрейф нулевого уровня порядка ЮР-ЗОО мВ) ,т.е отношение полезного выходного сигнала к начальному разбалансу повьппается, что приводит к повьшеншо точности измерения Использование предлагаемого тензо акселерометра по сравнению с известп ным аксерометром - низкочастотным 1 8 полупроводниковым АНЭ - 205 позволит обеспечить возможность создания тёнзоакселерометров с большим выходньм сигналом, и высокой чувствительностью ( по предварительным испытаниям у лабораторных образцов выходной сигнал и чувствительность в 5 раз Bbmie J, благодаря высокой чувствительности тензоакселерометр обеспечит измерение деформации порядка 10 ; повысить точность измерения вследствие использования для термостабилизации кольцеобразного нагревателя на основе МДПтранзистора на 10%; снизить потребляемую мощность вследствие отсуствия бесполезного рассеивания мощности на нагревателе; возможность использования групповых методов стандартной планарной технологии МДП-интегральных схем; значительно уменьшить габариты, вес и объем тензоакселерометра; уменьшить время подго товки тензоакселерометра к работе.

Фиг. г

ио

Фиг.З

n

«г

9

Вмяо

LI

3L

//

г.4

4

ла/17

/J

Общий

1