способ измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических систем

Формула изобретения

1. Способ измерения амплитудно-частотных характеристик чувствительных элементов микромеханических устройств, содержащих подвижный элемент, являющийся средней обкладкой дифференциального конденсатора переменной емкости, заключающийся в формировании на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей при установке на подвижной обкладке постоянного смещения, равного нулю, отличающийся тем, что выделяется вторая гармоника суммы заряда, протекающего через конденсаторы, образованные подвижной и неподвижной обкладками чувствительного элемента, при этом амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства вычисляется отношением полученной второй гармоники заряда к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно производится преобразование суммы заряда, протекающего через конденсаторы, образованные подвижной и неподвижной обкладками чувствительного элемента, в пропорционально зависимое выходное напряжение, при этом амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства вычисляется отношением второй гармоники выходного напряжения к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к микромеханике и предназначено для измерения частотных характеристик (АЧХ) подвижных элементов микромеханических устройств (ММУ), таких как акселерометры, датчики давления, микрогироскопы, микрозеркала, имеющие емкостной съем сигнала.

Известны лазерный виброметр для измерения вибраций [1], способ измерения динамических характеристик компенсационного акселерометра [2] и способ контроля качества изготовления 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. Недостатками устройства [1] являются высокая стоимость, трудоемкость процесса измерения и необходимость визуального доступа к подвижному элементу ММУ. Способ [2] 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.

Известный способ [3] является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и предназначен для контроля качества изготовления микромеханических устройств, которые состоят из задатчика силы и датчика перемещения. Задатчик силы электростатического типа выполнен в виде дифференциальной емкости. Датчик перемещения выполнен в виде дифференциальной емкости, подключенной к преобразователю емкость - напряжение (микросхема MS3110 в устройстве, реализующем способ [3]). Эквивалентная функциональная схема подобного датчика - четыре конденсатора, выводы одной из обкладок каждого из четырех конденсаторов электрически соединены друг с другом. Два из четырех конденсаторов попарно образуют дифференциальную емкость, то есть при перемещении ЧЭ одна из емкостей увеличивается, а другая уменьшается. Таким образом, способ [3] также предназначен для контроля ММУ компенсационного типа (например, компенсационных микромеханических акселерометров). Невозможность применения способов [2, 3] к ММУ прямого преобразования ограничивает их функциональные возможности и снижает точность проводимых измерений.

Способ [3] заключается в подаче гармонического сигнала (амплитудой порядка 50 В) на вход электростатического задатчика силы и измерении гармонического сигнала на датчике перемещения подвижного элемента. Общий вывод дифференциальной емкости подключается к входу преобразователя емкость - напряжение. На входе преобразователя для обеспечения его нормальной работы никаких других сигналов, кроме как сформированных самой микросхемой и подаваемых на электроды датчика перемещения, не должно быть. В устройстве, предложенном для реализации прототипа [3], на вход преобразователя подается гармонический сигнал, что приводит к появлению дополнительных помех в измерениях. Подвижный электрод под воздействием электростатической силы начинает перемещаться, вследствие чего одна электроемкость увеличивается, другая уменьшается. Чем больше амплитуда колебаний подвижного элемента, тем больше переменная асимметрия емкостей и тем больше помеха для преобразователя емкость - напряжение. Создаваемые помехи могут быть относительно небольшими в том случае, когда обе емкости задатчика силы равны и не меняются в процессе измерения. Однако данное условие может быть достигнуто в отсутствие сигнала на задатчике силы. Следует отметить, что существует вероятность вывода из строя микросхемы за счет пробоя входного каскада. Других преобразователей, в которых отсутствовал бы данный недостаток, в прототипе не приведено.

Задачей предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей и повышение точности.

Для достижения поставленной задачи на обкладках конденсатора дифференциальной переменной емкости, состоящего из подвижного элемента и двух неподвижных, на неподвижные подаются в противофазе гармонические сигналы одинаковой частоты и амплитуды с постоянной составляющей. На подвижной обкладке поддерживается постоянное, равное нулю напряжение и выделяется вторая гармоника суммы заряда, протекающего через конденсаторы, образованные подвижной и неподвижной обкладками чувствительного элемента, при этом АЧХ ММУ вычисляется отношением полученной второй гармоники заряда к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.

Поставленная задача достигается более эффективно, если сумму зарядов, протекающих через подвижный электрод, преобразовать в выходное напряжение, при этом амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства равна отношению второй гармоники выходного напряжения к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.

Таким образом, для измерения АЧХ проложенным способом достаточно всего одной пары неподвижных обкладок и одной подвижной обкладки, образующих дифференциальный конденсатор переменной емкости, без обязательного наличия дополнительных обкладок (как в прототипе), реализующих задатчик силы подвижного элемента ММУ, чем достигается расширение функциональных возможностей.

К тому же преобразование суммы зарядов, протекающих через подвижный электрод ММУ, в напряжение повышает точность измерений АЧХ подвижных элементов ММУ.

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 - вход зарядочувствительного усилителя;

10 - резистор;

11 - конденсатор;

12 - операционный усилитель;

13 - выход зарядочувствительного усилителя;

14 - анализатор спектра или селективный микровольтметр.

На фиг.2 приведены эпюры зависимостей от времени параметров устройства и чувствительного элемента ММУ:

а - напряжения, подаваемого на первый неподвижный электрод;

б - напряжения, подаваемого на второй неподвижный электрод;

в - электростатической силы, действующей на подвижный электрод;

г - электрической емкости С1;

д - электрической емкости С2.

На фиг.3 приведена АЧХ ММУ МПСФ-20 (ТУ АЕСН.431269.003ТУ), измеренная с использованием предлагамеого способа.

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 70 В), а симметричные выводы генератора 4, 5 подключены к неподвижным электродам 6, 7 ММУ. Подвижный электрод 8 подключен к входу 9 зарядочувствительного усилителя, образованного резистором 10, конденсатором 11, операционным усилителем 12. Первый вывод резистора 10, первый вывод конденсатора 11 и отрицательный вывод операционного усилителя 12 замкнуты и образуют вход 9 зарядочувствительного усилителя. Вторые выводы резистора 10, конденсатора 11 и выход операционного усилителя 12 замкнуты и образуют выход 13 зарядочувствительного усилителя. Отрицательный вход операционного усилителя 12 подключен к нулевому потенциалу. Выход 13 подключен к входу анализатора спектра 14.

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 Uo (фиг.2,А и 2,Б соответственно), а на подвижном электроде поддерживается нулевое напряжение:

U ₁=Uo+Uг·sin(wt),

U₂=Uo-Uг·sin(wt),

где напряжение Uo соответствует напряжению в точке поз.2 фиг.1;

напряжение U₁ соответствует напряжению в точке поз.4 фиг.1;

напряжение U ₂ соответствует напряжению в точке поз.5 фиг.1.

Значение постоянной составляющей Uo должно превышать амплитуду Uг гармонической составляющей Uo>Uг, таким образом задается условие U₁,U₂>0. Переменная составляющая за счет силы кулоновского взаимодействия (фиг.2,в) заставляет колебаться подвижный электрод ЧЭ.

Отклонение подвижной обкладки пропорционально приложенной силе.

В общем случае электрическая емкость конденсаторов С₁, С ₂, образуемых обкладками ЧЭ и общим электродом, выражается следующим образом:

С₁=Co·(1+A _мех·sin(wt)),

C₂=Co·(l-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.2,г и 2,д соответственно.

Коэффициент А_мех (фиг.2) зависит от амплитуды Uг и амплитуды механических колебаний подвижного элемента ММУ, а Со - электрическая емкость конденсаторов в отсутствие у подаваемого напряжения гармонической составляющей, причем Со=С₁ =С₂.

Коэффициент передачи зарядочувствительного усилителя (образованного резистором поз.10, конденсатором поз.11, операционным усилителем поз.10 фиг.1) для сигнала U₁ вычисляется следующим образом

где Uвых - напряжение на выходе зарядочувствительного усилителя.

Значения Roc (омическое сопротивление резистора поз.10 фиг.1) и Соc (электрическая емкость конденсатора поз.11 фиг.1) выбираются таким образом, чтобы Roc в рабочем диапазоне частот было намного больше реактивного сопротивления X_Сос емкости Сос.

При необходимости в качестве сопротивления Roc может быть использован Т-образный RC-фильтр.

Напряжение U₁ создает на выходе зарядочувствительного усилителя сигнал:

в силу симметрии напряжение U₂ создает на выходе усилителя сигнал

По принципу суперпозиции:

Uвых=Uвых₁+Uвых₂=k·(Uo+Uг·sin(wt))·(1+A _мех·sin(wt))+k·(Uo-Uг·sin(wt))·(1-A _мех·sin(wt))=2·k·(Uo+A_мех·Uг·sin ²(wt))=2·k·Uo+k·Uг·A_мех·(1-cos(2wt))=2·k·Uo+k·Uг·A _мех-k·Uг·A_мех·cos(2wt)

Напряжение Uвых соответствует напряжению в точке поз.13 фиг.1

Амплитуда второй гармоники выходного сигнала зависит от коэффициентов k, Uг, A_мех. Величины k, Uг 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.

Для проверки данного способа был собран макет устройства (фиг.1). В качестве генератора со средней точкой 1 был взят генератор Г3-109; в качестве источника постоянного напряжения 2 - источник питания Б5-50; в качестве ММУ (с элементами 6, 7, 8) выбрано микрозеркало ММУ типа МПСФ-20 (ТУ АЕСН.431269.003ТУ). В зарядочувствительном усилителе конденсатор 10 выбран номиналом 510пФ, резистор выбран номиналом 470 МОм, операционный усилитель 12 - Analog Devices AD8610. Для поз.14 выбран селективный микровольтметр В6-9, имеющий частотный диапазон измерения в селективном режиме 20 Гц - 100 кГц и диапазон входных напряжений от 1 мкВ до 1 В.

На генераторе Г3-109 устанавливалась частота 20 Гц, амплитуда напряжения 50 В. На источнике Б5-50 устанавливалось напряжение 70 В. Значение, отображаемое на микровольтметре при частоте 20 Гц, принималось равным 0 дБ. При плавном изменении частоты на генераторе и фиксированных остальных параметрах производилась запись показаний микровольтметра для соответствующей частоты. По формуле (где Uвых - показания микровольтметра, - частота в герцах, задаваемая на генераторе) строилась АЧХ, представленная на фиг.3.

Проведено сопоставление полученной АЧХ с АЧХ, измеренной оптическим способом (в котором амплитуда механических колебаний подвижного элемента ММУ определялась амплитудой колебания лазерного луча, отраженного и отклоненного микрозеркалом МПСФ-20). Было получено хорошее совпадение АЧХ, полученных оптическим способом и предложенных в изобретении.

Источники информации

1. Патент US 5883715.

2. Патент SU 1839835.

3. Патент RU 2244271 - прототип.