Канал измерения вертикальной перегрузки комплекса высотно-скоростных параметров

. Выбор подходящего расходуемого материала зависит от конструкционного материала и, в частности, от наличия способа травления, который может выборочно травить расходуемый материал без значительного травления конструкционных материалов или подложки. В этой таблице показано несколько общих комбинаций структурного материала и метода травления, но список бесконечен [9].Микрообработка DRIE. Технология глубокого реактивного ионного травления (DRIE) с микрообработкой позволяет использовать как поверхностные, так и объемные микрополости. DRIE использует плазму с высокой плотностью для создания длинных вертикальных стенок, применяяанизотропное травление через двухфазную последовательность, состоящую из травления и осаждения защитного слоя. С DRIE мы можем построить гораздо более сложные структуры. На рисунке 1.11 показан упрощенный процесс на основе кремний-оксида (СОИ) с использованием (DRIE), специальной технологии сухих травлений MEMS, позволяющей большую глубину травления с очень вертикальными боковыми стенками. Эта простая, но мощная техника нуждается только в одной маске для получения рабочих устройств, и это понятно в коммерческих продуктах.Существуют другие способы, при которых материал не удаляется, но на этот раз формируется для достижения желаемого рисунка. LIGA, немецкий акроним для литографии, гальванопластики и литья, является матерью этих методов. LIGA делает очень высокие трехмерные микроструктуры с некристаллическими материалами, такими как металл, пластик или керамика, используя репликацию или литье [9].Рисунок 15. Обработка SOI-пластины методом DRIE. Пластины SOI имеют толщину от 10 до 200 мкм. После фотолитографии пластина вытравливается с помощью DRIE для формирования кремниевых структур с высоким отношением размеров. Загрязненный диоксид кремния действует как эффективная остановка травления. Снятие защитного фоторезиста, а затем травлениерасходуемый слой оксида, чтобы высвободить микроструктуру, закончить устройство [9].2 Создание модели МЭМС акселерометра 2.1 Расчет чувствительного элементаРисунок 16. Конструкция MЭMC акселерометра со штырями. Основными параметрами, которые необходимо рассчитывать при разработке МЭМС-акселерометра, являются площадь и емкость обкладок, инерционная масса, собственная частота, коэффициент демпфирования, напряжение притягивания. Площадь обкладок и инерционную массу можно рассчитать из геометрических размеров структуры, а емкость обкладок – используя формулу для плоскопараллельного конденсатора: (16)где ε – проницаемость среды, 0 ε – диэлектрическая проницаемость вакуума, d – расстояние между зубьями. Определим в начале, габаритные параметры акселерометра из условия: диапазон измерения 0-2,5g, напряжение питания 5 В. Зазор между обкладками d = 5 мкм, тогда из выражения (15): Условие, которое необходимо учитывать является то, что датчик должен работать в линейном режиме в диапазоне 0 - 2,5g. Для этого должно выполняться условие x2 << d2, чтобы уравнение 5 (глава 1) выполнялось. Учтем также выражение 6. Возьмем х = 0.1*d=0.5мкм при перегрузке 2.5g, тогда Рисунок 17. Принцип работы емкостного акселерометра.Поскольку масса МЭМС определяется конструкцией, а конструкция технологией изготовления, то выберем форму и вид МЭМС согласно [24].Основным конструктивным узлом микроакселерометров являются ЧЭ, принципиальная схема которого приведена на рисунке 16.Возьмем размеры пластины для микросхемы:=5 мм,= 5мм. При этом рабочей зоной для внутренней инерционной массы = 4 мм,= 3.5 мм. Площадь заполнения инерционной массой все рабочей зоны приблизительно возьмем как ¼. Тогда масса чувствительного элемента будет ,Где h – толщина ЧЭ равной 30 мкм, ρ – плотность материала. , ,Вычислим приблизительно упругостьУпругие подвесы могут быть прямыми и складчатыми, схематичное изображение обоих типов подвесов приведено на рис. 18. Рисунок18. Возможная форма упругих подвесов Выбор геометрии упругого подвеса во многом определяется ограничениями топологии и технологических процессов. Для получения высокой чувствительности и небольших размеров подвеса необходимо уменьшать его ширину, однако уменьшение ширины приводит к тому, что на характеристики подвеса существенное влияние начинает оказывать воспроизводимость технологического процесса (например, АПХТ кремния). Увеличение ширины подвеса, для снижения чувствительности к отклонениям технологического процесса, приводит к необходимости увеличения его длины, что увеличивает размер кристалла. В качестве компромисса, может использоваться складчатый подвес (foldedbeam, serpentinebeam). В данной работе рассматривался подвес складчатого типа, как дающий возможность уменьшения размеров кристалла МЭМС-акселерометра. Расчет коэффициента упругости с помощью точных аналитических соотношений возможен для простых форм подвеса. Для сложных используются приближенные выражения. В частности, коэффициент упругости складчатого подвеса, изображенного на рис.4, в первом приближении, может быть рассчитан с помощью следующей формулы [24]: (17)где E - модуль упругости материала подвеса, I - момент инерции сечения подвеса, t - толщина подвеса, w - ширина подвеса, N - число складок подвеса, l - длина сегмента складчатого подвеса. Для следующих параметров подвеса: E=169·103 МПа, t=30 мкм, w=5 мкм, N =2 необходимо определить длину подвеса. Поскольку подвесов 4, то необходимо общуюks разделить на 4.Длина подвеса:Для получения более точного значения коэффициента упругости подвеса сложной формы, в частности, складчатого подвеса, оптимальным представляется использование конечно-элементного моделирования [24].Коэффициент упругости подвеса позволяет рассчитать такие важные характеристики МЭМС акселерометра как собственная частота, а также абсолютный коэффициент демпфирования и относительный коэффициент демпфирования. Собственная частота рассчитывалась по следующей формуле: , (18) где k – коэффициент упругости подвеса, M – эффективная масса равна приблизительно m. Абсолютный и относительный коэффициенты демпфирования рассчитывались на основе допущения об упругих свойствах тонкого воздушного слоя, заключенного между зубьями МЭМС акселерометра, по следующим формулам [25, 26]:, (19), (20)где n – количество пар зубьев встречно-штыревого конденсатора, µ – вязкость воздуха, h – высота зубьев, l – длина зубьев, d – расстояние между зубьями.Количество пар зубьев определим из длины ЧЭВязкость воздуха 18,27 мкПа*с. Длину зубьев возьмем равной 400 мкм. Тогда абсолютный коэффициент демпфированиякг*м/cА относительный равенДанное значение ниже 0.65, которая считается величиной критического демпфирования и обеспечивает наилучшие динамические характеристики МЭМС акселерометра. Таким образом, рассчитанная тестовая структура МЭМС - акселерометра является недостаточно демпфированной и для улучшения динамических характеристик необходимо рассматривать пути увеличения демпфирования.Значение величины напряжения притягивания, т.е. напряжения, при котором подвижная обкладка притягивается к неподвижной. В случае плоской модели, напряжение притягивания рассчитывается по следующей формуле:. (21)где S – площадь обкладки, ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума.= 3,45 ВЕмкость обкладки с одной стороны=7,43 пФТаблица 2.1. Основные параметры расчетной МЭМС структуры.Параметр ВеличинаТолщина рабочего слоя (высота структуры МЭМС-акселерометра), мкм 30Величина воздушного зазора между зубьями, мкм5,0Инерционная масса, кг2,45·10-7Площадь обкладки, м24,2·10-6Емкость обкладки, пФ 7.43Коэффициент упругости подвеса, Н/м12Собственная частота, кГц 1.1Абсолютный коэффициент демпфирования, кг*м/с0,55·10-3Относительный коэффициент демпфирования 0.175Напряжение притягивания, В3.452.2. Расчет и построение АЧХ и ФЧХ ЧЭ датчикаНестационарные случайные колебания В этом случае статистические свойства колебаний меняются во времени. Могут использоваться такие методы, как усреднение по времени и другие статистические методы. Большинство описанных здесь акселерометров можно рассматривать и анализировать как сейсмические приборы, состоящие из массы, пружины и заслонки, как показано на рисунке 2.4.Рисунок 19. Механическая схема акселерометра. Принимая только систему массовых весов, если система ведет себя линейно по времени инвариантно, основное дифференциальное уравнение второго порядка для движения массы только под воздействием силы можно записать в виде: (22)где f (t) = сила m = массаc = константа скоростиk = постоянная пружиныТем не менее, в сейсмических акселерометрах также находится основание устройства. Поэтому уравнение 22 можно обобщить, учитывая влияние движения основания. Тогда уравнение 22 можно изменить следующим образом: (23)где z = x2 - x1 = относительное движение между массой и основанием x1 = смещение основания x2 = смещение массы θ = угол между осью чувств и гравитацией. Чтобы заложить фон для дальнейшего анализа, взяв простой случай, полное решение уравнения 2.7 можно получить, применяя принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции гласит, что если на тело одновременно накладываются действия, общий эффект может быть получен суммированием эффектов каждого отдельного действия. Уравнение 2.7 описывает существенно систему второго порядка, которая может быть выражена в преобразовании Лапласа как: (24)где s = оператор ЛапласаK = 1 / k = статическая чувствительность частота резонанса, рад/c.ζ = Dотн - коэффициент демпфированияКак видно, при работе акселерометров важными параметрами являются статическая чувствительность, собственная частота и коэффициент затухания, которые являются функциями массы, скорости и пружинных констант. Акселерометры предназначены для разных характеристик путем выбора этих параметров. Как только реакция будет получена в виде уравнений 24, анализ может быть проведен далее, либо во временной области, либо в частотной области. Временной отклик типичной системы второго порядка для ввода с единичным шагом приведен на рисунке 22. На рисунке 22 (внизу) изображены фазовые графики на основе графика Боде. Подробные обсуждения по частотной характеристике, демпфированию, коэффициенту демпфирования и линейности приведены в соответствующих разделах, и дополнительная информация может быть получена в ссылках. Системы, в которых одна структура движется более чем в одном направлении, называются системами с несколькими степенями свободы. В этом случае ускорения становятся функциями размеров как d2x / dt2, d2y / dt2 и d2z / dt2. Следовательно, при многоканальных испытаниях на вибрацию необходимо использовать несколько преобразователей для создания одноосных, двухосных или трехосных зон зондирования для измерений. Математически линейную систему с несколькими степенями свободы можно описать набором связанных линейных дифференциальных уравнений второго порядка; и при построении частотного отклика он обычно показывает один резонансный пик на степень свободы.Рисунок 21. Примерный вид акселерометра.Часто требуются измерения ускорения и вибрации тонких пластин или небольших масс. Прикрепление акселерометра с сопоставимой массой на тонкой пластине или небольшом испытательном образце может вызвать «массовую нагрузку». Поскольку ускорение зависит от массы, вибрационные характеристики загруженного испытательного образца могут быть изменены, что приводит к неправильным измерениям. В таких случаях должна быть сделана правильная интерпретация результатов измерительных приборов. Некоторые экспериментальные методы также доступны для коррекции результатов испытаний в форме выполнения повторных тестов, проводимых путем последовательного добавления небольших известных масс и наблюдения различий. Рисунок 22. Графики коэффициентов АЧХ и фазовых углов от частоты системы второго порядка. Кривые построены от частоты для разных коэффициентов демпфирования. Эти графики могут быть получены теоретически или практическими испытаниями, проводимыми в частотном диапазоне.АЧХ и ФЧХ чувствительного элемента.Чувствительность датчика составляет 0,2 В/g. Частота резонанса – 1.1кГц. Определяем статический передаточный коэффициент:Ky = статический коэффициент передачиЧастота резонанса составляетДля определения коэффициентов a1 и b1 воспользуемся типовой амплитудно-частотной характеристикой акселерометра [27], которая построена для объекта с передаточной функцией вида при Ky=1:Wy(S) = (25)Подставляя в (2.9) pj находим КФЧХ, и, записав ее в показательной форме можно получить выражения для определения АЧХ и ЛАЧХ:(26) (27)Примем во внимание, что подъем ЛАЧХ на резонансной частоте согласно [27] составляет +8,5 дБ, а также учтем, что эта точка является максимальной на характеристике. Пользуясь данными положениями, составляем систему двух уравнений с двумя неизвестными, из которых и определяем коэффициенты a1 и b1.Рисунок 23. АЧХ МЕМS – акселерометра (маткадапроксимация).Они принимают следующие значения: a1 1,92108 , b1 0,546104 . Подставим эти значения в выражение (27) и составим на основе этого выражения модель в пакете MathCAD. ЛАЧХ MEMS-акселерометра, построенная на основе его модели приведена на рисунке 23.Построим теперь АЧХ и ФЧХ фильтра с учетом статистического коэффициента передачи KyWy(S) = откудадля AЧХРисунок 24. Графики АЧХ и ФЧХ передаточной функции МЕМS – акселерометра (маткад).3. Электрические цепи и узлы акселерометра 3.1 Структурная схема электрической цепиРисунке25. Структурная электрическая схема канала акселерометра.Акселерометры в зависимости от выходного сигнала бывают различных типов: c аналоговым или цифровым выходом.Аналоговые акселерометры в качестве выходного сигнала выдают ток или напряжение в зависимости от значения g. Цифровые выдают значение сигнала в цифровом коде и в основном по интерфейсу SPI. Цифровые акселерометры могут быть изготовлены в корпусе одной микросхемы и элементы, которые в нее входят представлены структурной схеме на рисунке 3.1. Фильтр на ОУ служит для уменьшения шумов акселерометра и чаще всего вырезает и усиливает в полосе работы акселерометра. Эту полосу следует выбирать меньше чем значение собственного резонанса акселерометра. Контроллер служит для преобразования аналогового сигнала в цифровой. Преобразование происходит при помощи АЦП.3.2 Расчет фильтраФильтр нижних частот располагается между усилителем и АЦП и нагрузкой. Для того, чтобы фильтр не вносил дополнительных искажений в цепь канала его вход должен соответствовать сопротивлению нагрузки. Для согласования фильтра с датчиком акселерометра необходимо использовать предварительный усилитель с большим входным сопротивлением. Исходя из этого, разрабатываемый фильтр должен состоят из двух каскадов. В качестве первого каскада использован усилитель повторитель со входным сопротивлением 1000 кОм. Он развязывает второй каскад или фильтр от источника сигнала. Второй каскад будет состоять из фильтра Саллена – Кея [28]. Рисунок 26. Модель вMicroCap усилителя и фильтра.Была выбрана частота среза 200 Гц. Модель схемы представлена рисунке 5. В качестве операционного усилителя использован ОУ NE5532.Проведем расчет фильтра Саллена-Кея.Частота среза рассчитывается по формуле:fср=1/2π . (28)Возьмем R 5=22 кОм, R6= 82 кОм, С2=51 nФ и найдем С3:C3=1/4π2fср2R5R6C2=1/(4 * 9,86 * 200 *200*22000 *82000 * 51*10-9)=6.89пФ. Емкость С3 из результатов моделирования выбираем равной 6.8 нФ. Рисунок 27. АЧХ и ФЧХ характеристики фильтраПередаточная функция этого фильтра по напряжению определяется выражением [29]: , (29)где - частота среза; С3, С4 - емкости конденсаторов, R3, R4, R5 - сопротивления резисторов согласно принципиальной схемеСопротивление в фильтре в фильтре выбраны таким образом, что фильтр усиливает сигнал примерно в 4 раза.Предварительный каскад усилителя усиливает в 1+R9/R8 раз, поэтому общее усиление усилителя и фильтра равно 8. 3.3. Определение уровня шума и разрядность АЦПЧтобы АЦП не вносило вклад в шумы акселерометра его минимальная дискретизация должна быть меньше напряжения шума. Поэтому определим напряжение шума на выходе акселерометра. Основными шумами являются тепловой шум и механический шум. 1) Тепловой шум:Наличие резистора в электронной схеме ассоциируется с некоторым генератором шума , источником напряжения которого является тепловая энергия.Средняя квадратическиая величина теплового шума является внутренней помехой типа белого шума. Напряжение шума определяется как:UR(w) =4kTR = 4*1.38*10-23*293*1*106= 1.6*10-14( Дж*Ом)В полосе 200 Гц электрические шумы будут на уровне где R =1 МОм сопротивление входа ОУ усилителя. Поскольку входные шумы усиливаются ОУ и фильтром, то на входе АЦП тепловой шум имеет уровень 2) Механический шум:Механический шум осевого МА, с учетом выражения (5.170) [30]:aш=(30)где D - коэффициент демпфированияaш=В полосе частоты 200 Гц механический шум равен Определим уровень шумов в пересчете на шумы напряжения.Диапазон измерения 0-2.5g, а уровень изменения напряжения акселерометра 0.5В. Поэтому Общие шумы При выборе 16 разрядного АЦП в диапазоне 0-5В минимальный разряд имеет 76.3 мкВ. Поэтому в качестве преобразователя выходного аналогового сигнала в цифровой можно использовать контроллер со встроенным 16 разрядным АЦП. 3.4 Проектирование корпуса прибораКорпус прибора был разработан на основе корпуса Акселерометра LIS3DHДлинна - 60ммШирина - 54ммВысота - 18 ммКорпус должен иметь следующие выводы: питание +5В, земля, SPI выход.Для передачи ускорения к датчику без искажения выбираем металлический корпус с 4 винтами крепления акселерометра. Плата чувствительного элемента должна быть непосредственна закреплена на корпусе акселерометра таким образом чтобы ось акселерометра совпадала с направлением измерения. ЗаключениеБыстрое развитие МЭМС-технологий во многом объясняется их ключевыми достоинствами – миниатюрностью, функциональностью, надежностью, малым энергопотреблением, простотой интегрирования, востребованностью практически всеми рынками электроники.В дипломной работе были рассмотрены основные этапы развития применения акселерометров в летательных аппаратах. Были рассчитаны параметры осевого микромеханического акселерометра, такие как размеры чувствительного элемента, измерительного преобразователя. Числовых характеристик погрешностей, коэффициентов демпфирования, усиления и фильтра. Были построены АЧХ и ФЧХ датчика, Разработаны структурная и функциональная схемы, принципиальная электрическая схема ивыбран корпус прибора.Списоклитературы1 Олейник А.И. Алгоритм вычисления истинных значений аэрометрических параметров полета самолета // Авиакосмическое приборостроение. 2011. № 1. С. 3-10. 2. Семенов А.В. Алгоритм компенсации аэродинамической погрешности приемников статического давления и погрешности запаздывания в пневмотракте статического давления системы воздушных сигналов летательного аппарата / А.В. Семенов, И.П. Ефимов. – Депонир. в ВИНИТИ 28.02.2005 №280-В2005.3Нормы лётной годности гражданских самолётов. Технические требования к оборудованию самолёта. – М.: ЦАГИ, 1987. – 325 с.4 Ан-148-100. РУКОВОДСТВО ПО ЛЕТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ 5   Rindler, W. (2013). Essential Relativity: Special, General, and Cosmological (illustrated ed.). Springer.p. 61. ISBN 978-1-4757-1135-6. Extract of page 61.6  Einstein, Albert (1920). "20". Relativity: The Special and General Theory. New York: Henry Holt. p. 168. ISBN 1-58734-092-5.7  Penrose, Roger (2005) [2004]. "17.4 The Principle of Equivalence". The Road to Reality. New York: Knopf. pp. 393–394. ISBN 0-470-08578-9.8  Doscher, James. "Accelerometer Design and Applications". Analog Devices.Archived from the original on 13 December 2008.Retrieved 2008-12-23.9 F. Chollet, H. Liu, A (not so) short introduction to MEMS (http://memscyclopedia.org/introMEMS.html (18.2.2008)) 10 Mukherjee, Rahul; Basu, Joydeep; Mandal, Pradip; Guha, Prasanta Kumar (2017). A review of micromachined thermal accelerometers. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27 (12): 23002. arXiv:1801.07297.  Bibcode:2017JMiMi..27l3002M. doi:10.1088/1361-6439/aa964d.11 I. Lee, G. H. Yoon, J. Park, S. Seok, K. Chun, K. Lee, Development and analysis of the vertical capacitive accelerometer, Sensors and Actuators A 119 (2005) 8-18.12 S. Beeby, G. Ensell, M. Kraft, N.White, MEMS mechanical sensors (Artech house inc., USA, 2004).13 S. E. Lyshevski, Mems and Nems: systems, devices and structures (CRC Press LLC, USA, 2002).14http://www.analog.com/UploadedFiles/Obsolete_ Data_Sheets/ 66309706ADXL05.pdf (10.3.2008).15 B. E. Boser.Electronics for micromachined inertial sensors. in Transducers Dig. of Tech. Papers, pp. 1169-1172, June 1997.16 http://www.analog.com/en/prod/0„764_800_ADXL202%2C00.html (10.3.2008) .17http://www.analog.com/en/content/0,2886,764%255F800%255F122115%255F0,00.html (14.2.2008).18 C. T. Leondes, Mems/NemsHandbook techniques and applications, Volume 4: Sensors and actuators (Springer, USA, 2006).19http://rfdesign.com/military_defense_electronics/news/accelerometer_proves_accurate_0509/ (14.2.2008).20 F. Mohn-Yasin, C. E. Korman, D. J. Nagel, Measurement of noise characteristics of MEMS accelerometers Solid-State Electronics 47 (2003) 357-360.21 http://en.wikipedia.org/wiki/Accelerometer (14.2.2008) .22 S. Beeby, G. Ensell, M. Kraft, N.White, MEMS mechanical sensors (Artech house inc., USA, 2004).23 http://www.sensorsmag.com/articles/0399/0399_44/main.shtml (14.2.2008).24. И.В. Годовицын, Д.А. Сайкин, Р.А. Федоров, В.В. Амеличев. Расчет и моделирование основных параметров дифференциального емкостного МЭМС-акселерометра. 25. Airbag application: a microsystem including a silicon capacitive accelerometer, CMOS switched capacitor electronics and true self-test capability / L. Zimmermann, J. Ph. Ebersohl, F. Le Hung, J. P. Berry, F. Baillieu, P. Rey, B. Diem, S. Renard, P.Caillat // Sensors and Actuators A: Physical. 1995. Vol. 46. Iss. 1-3. P. 190-195.26. Mohamed Gad-el-Hak. The MEMS handbook.CRCPress, 2002. 1368 p.27 Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.28. Фильтр Саллена-Кея [Электронный ресурс] – WikimediaFoundation – 2009 – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Фильтр_Саллена-Кея, кафедральный доступ. – Загл. с экрана. – Яз. Рус.29 https://ru.wikipedia.org/wiki/Микроэлектромеханические_системы30 В.Я. Распопов. Микромеханические приборы. 2007 г.