автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Исследование интегральных акселерометров

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образовании ■ Санкт-Петербургский ордена Трудового Красного Знамени институт точной механики и оптики

■■г: од

* •> 1ИЛЦ '¡1 ОН

| (} и»- ' правах рукописи

Псздяев Василий Иванович

УДК 531.781.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения механических величин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена на кафедре "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского, филиала Нижегородского государственного технического университета.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Вавилов В.Д.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Власов Ю.Б. кандидат технических наук, профессор Меськин И.В.

Ведущее предприятие:

указано в решении специализированного Совета

Защита состоится " Ы » июк» 1994 г, в " « оо часов на заседании специализированного Совета К.053.26.04 С.-Петербургского института точной механики и оптики по адресу: 197101, г.С.-Петербург, ул.Саблинская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " <7 " нал 199^ г.

Ученый секретарь специализированного Совета канд. техн. наук, доцент

Поляков В.И.

Подп. к печ. 14.04.%. Формат 60х84*/1б. Бумага газетная. Печать офсетная. Уч.-изд.л. 1,0. Тира* 100 экз. Заказ 57. Бесплатно.

Лаборатория офсетной печати полиграфической базы НГТУ. 603022, «.Новгород, пр. Гагарина, I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время ведутся интенсивные работы, как научно-исследовательского плана, так и конструкторского, в области нового научно-технического направления - создания измерительных преобразователей неэлектрических величин на базе широко освоенной технологии интегральной микроэлектроники. Актуальность разработки таких измерительных преобразователей , и, в частности, акселерометров, обусловлена, с одной стороны, отставанием их технико-экономических характеристик от достаточно высокого уровня средств обработки сигналов, с другой стороны, возросшими требованиями к ним.

Область применения интегральных акселерометров является чрезвычайно широкой: от аэрокосмической техники до автомобильной и робототехники. Это обуславливает широкий диапазон предъявляемых к ним требований, включающих минимальные массогаба-ритные показатели, низшую стоимость производства, совместимость механических узлов с измерительной электрической схемой на единой подложке, высокие технические характеристики и надежность. В связи с этим для производстве нового поколения датчиков самым подходящим оказался кремний - относительно дешевый полупроводниковый анизотропный материал со стабильными свойствами. Анализ современного состояния интегральных акселерометров показывает, что проблема создания акселерометра требует учета специфики конструкционного материала по всем узлам (упругий подвес, преобразователь перемещения) и влияния микроминиатюрного исполнения подвижных узлов на динамические характеристики и в конечном итоге требует решения многих нвучно--технических задач, в том числе и на стыках многих наук, как теоретического характера, так и прикладного.

Цель работы. Целью настоящей работы являются теоретические -и экспериментальные исследования в области интегральной акселерометрш.

Задачи диссертационной работы. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.

Т. Теоретическое исследование узлов интегрального акселе-" рометра на основе применения фундмлентальных уравнений математической физики, в том числе:

- установление теоретических зависимостей жесткостей упругих подвесов с криволинейными обводами от конструктивных и физико-технических параметров;

- разработка теории газодинамического демпфирования подвижных узлов интегральных акселерометров;

- установление математических моделей перспективных преобразователей перемещений и обратных преобразователей.

2. Исследование возможностей повышения точности путем оптимизации соответствующих характеристик. .

3. Проведение экспериментальных исследований и обработка результатов по разработанным методикам с целью проверки теоретических моделей на их точность и границы применимости.

4. Создание перспективных вариантов узлов интегральных акселерометров, разработка рекомендаций по повышению точности.

Объект исследования. Объектом исследования является акселерометр интегрального исполнения, его узлы и характеристики.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы теоретические методы аэродинамики,теоретической механики, сопротивления материалов, теории полупроводников, теории автоматического управления,математическое и физическое моделирование, натурный эксперимент, синтез оптимальных решений.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Разработана математическая.модель интегрального акселерометра общего :вида и указаны границы перехода общей модели в частные с преобладанием осевого либо маятникового движения.

2. Получены теоретические зависимости для коэффициентов газодинамического демпфирования чувствительных элементов различных кон<2игураций в тонких газовых слоях.

3. Найдены теоретические зависимости упругих характеристик подвесов с криволинейными поверхностями.

4. Получены уравнения преобразования и погрешностей узлов акселерометра:'преобразователей перемещений емкостного типа и на полевом эффекте, электростатического обратного преобразователя с линеаризацией по-.напряжению и перемещению.

5. Выбраны - критерии оптимальности и на базе полученных теоретических зависимостей проведен оптимальный синтез узлов интегрального акселерометра по;следующим направлениям:

- оптимизация преобразоЕ-геля перемещения на МДП-транзисторе

по критерию минимума температурной погрешности и нелинейности, -оптимизация подвижного узла на основе системного подхода по критерию минимума операционной погрешности и критерию максимума отношения "сигнал/шум".

Практическая ценность работы.

- Полученные в результате проведенных исследований теоретические решения и найденные при анализе и оптимизации узлов прикладные зависимости доведены до практического применения и составляют основу для проектирования интегрального акселерометра

- Новые конструктивные и схемные решения для преобразователя перемещений и компенсационного акселерометра в целом, предсказанные полученными математическими моделями узлов и повышающие точность, защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

- Разработанная.методика определения характеристик интегральных акселерометров с помощью стандартного испытательного оборудования и специальных приспособлений и алгоритм идентификации динамической модели акселерометра позволяют- сократить сроки разработки новых датчиков.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась на кафедре "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского филиала НГТУ в рамках плановых НИР, проводимых совместно с Арзамасским ОКБ "Темп". Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы переданы в виде технических отчетов и описаний изобретений и внедрены в ОКБ "Темп" при разработке, изготовлении и испытания интегральных акселерометров, что подтверэдается соответствующими документами. Теоретические результаты работы внедрены в филиале НГТУ в лекционный курс "Конструирование интегральных датчиков".

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах "Системы управления, следящие приводы и.их элементы" ЦНИИ информации и технико-экономических исследований (г. Москва, 1986г., 1987г.), на межвузовской научно-технической конференции "Буб-новские чтения-88" (г. Горький, 1988г.), на техническом Совете, предприятия ОКБ "Темп" (1987, 1989, и 1991 г.г.), не научно-, -технических семинарах и заседаниях кафедра "Авиационные приборы и устройства" Арзамасского, филиала НГТУ (1989. ..1993гг.).

На защиту выносятся;

1. Результаты математического моделирования узлов и интегрального акселерометре в целом, в том числе:

- полученные теоретические модели интегральных акселерометров как динамических систем;

- установленные теоретические зависимости для жееткостей интегральных подвесов с криволинейными обводами;

- полученные теоретические зависимости для коэффициентов газодинамического демпфирования чувствительны! элементов различных конфигураций в тонких газовых слоях;

- полученная теоретическая модель й.результаты оптимизации характеристик преобразователя перемещений на полевом эффекте;

- результаты оптимизации характеристик микромеханического подвижного узла.

2. Разработанные на основе теоретических моделей схемные решения и их математическое описание, в том числе: преобразователя перемещения в напряжение, интегрального акселерометра с электростатической си-овой обратной связью, соотношения и рекомендации для уменьшения ошибок.

3. Методика экспериментального определения характеристик интегральных акселерометров и результаты експериментов.

4. Практическая реализация результатов исследования. '

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе 4 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 138 наименований и приложения. Работа содержит 140 страниц основного текста, 16 страниц иллюстраций и приложение на 10 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, изложены основные научные и практические результаты, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор й анализ современного состояния интегральной акселерометрии, включающий патентный поиск и библиографические исследования.

.Анализ известных материалов показывает, что большинство

разрабатываемых и выпускаемых интегральных акселерометров являются однокомпонентными, маятниковыми, работающими по разомкнутой схеме. Чувствительный элемент (ЧЭ) представляет собой балку консольного закрепления, состоящую из двух основных частей: массивного инерционного элемента и упругого подвеса, изготовленных за одно целое совместно с силовой рамой-основанием по групповой технологии методом химического травления исходной кремниевой пластинчатой заготовки. Имеются также разработки осевых интегральных акселерометров и компенсационных. Преобразователь перемещения (Щ) ЧЭ выполняют в оснсзном тензорези-сторного и емкостного типа. В качестве обратных преобразователей (ОБ) применяют электростатические (ЭСОП) и магнитоэлектрические,причем З.СОП наиболее способствуют интеграции элементов, результатом чего является простая конструкция компенсационного акселерометра, как правило,из трех сборочных единиц: основания е ЧЭ (и, возможно, с электронной схемой),и двух крышек с электродами. Конструктивно наиболее - простым способом поглощения энергии колебаний ЧЭ с целью формирования требуемой амплитуд-но-частйтной характеристики (АЧХ) является демпфирование ЧЭ в виде профилированной подвижной пластины в тонком газовом слое, заключенном в узких полостях между ЧЭ и крышками. Теория демпфирования интегральных ЧЭ многовариантного исполнения в тонких газовых слоях отсутствует в научно-технической литературе, и требуемые параметры обычно, подбирают экспериментально.

Существующие разработки интегральных акселерометров не удовлетворяют в полной мере современным требованиям превде всего вследствие недостаточной теоретической проработки всего комплекса вопросов. Наиболее полно рассмотрены в научно-технической литературе вопросы анализа и синтеза характеристик интегральных акселерометров прямого измерения с тензорезисторным ПЛ. Наименее исследованг . специфика применения транзисторов структуры "металл-диэлектрик-полупроводник" (ВДП-структуры) с подвижным затвором в качестве ПП интегральных ЧЭ. Требуют исследования и уточнения математические модели балочного подвеса, механического контура интегрального акселерометра при двух степенях свободы и газодинамическом демпфировании и т.п.

Во второй главе рассмотрены теоретические основы для расчета характеристик интегральных акселерометров.

Упругие подвесы интегральных ЧЭ выполняются монолитно с

основанием и подвижной массой и, как правило, с криволинейными обводами для снижения опасных концентраций напряжения. Анализ различных вариантов подвесов на жесткость методами линейной теории упругости позволил получить следующие характеристики, приведенные в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики упругих подвесов

Эскиз ЧЭ; основные узлы

Основные характеристик:!

'----1

V у *1U ■П р—~

-Ь„

1 -основанием -масса;

2 - подвес (4 балочки)

Жесткость подвеса: .

= 4 Е Ьгс^ /¿! . о п п тх

Жесткость по поперечным осям:

0„ = 2 Е Ь_с_ /п та п п п

Е - модуль упругости первого рода для соответствующего направления в кристалле кремния;

соответственно длина, ширина и толщина балки подвеса прямоугольной формы..

а-, Ь_, с_ п л п

ю 1 п

Жесткость подвеса (угловая) / Х(1-\7

Е & Ъ

Göa=

b ,

Xmltt

->ч ■

3C1J2+T1 )arctg/T7tt

п ■■

Жесткости подвеса (осевая):

р+21 /а . 7J V

1+1- ■ - - /—|arcig / {/X/Tf-TJ ✓ 1-XJ

-1

' i г

1 - основание

2 - подвес

3 - масса

✓ X

Жесткость по поперечной оси 0Z по минимальной оценке: G = 2 Е ö3, с„ / а^ .

П2 min п л

Жесткость по поперечной оси ОХ: - Ъ

2Е с (Ъ - Ъ ) / 1

q ^ 7t '• пзх min _ .__

а arctg(VTTT^J/Z ) V 1/Х

-1

Окончание таблицы 1

Эскиз ЧЭ; основные узлы

Основные характеристики

S-li^c

1 - основание, .2 - подвес, 3 - масса

Жесткость подвеса (угловая):

Г, П Tin 1 n , °

Gg=-г— I- +

5+6Л

за ГрД ) L где Л=Лс/с.

(1+2КГ

Пт i п

Жесткость подвеса (осевая):

32Eb he сп .

Т1_шп In

3 а*

16^(1+21^ /ап)

1+2К

-1

+ /51 arctg/2K 1П6К(П21^ /ап)]+ Ц1+4К)+ 4КЪ(1-2К)( 1 +21 /а

+ --J——^ п >

(1+2К)3 J

Жесткость по поперечной оси 0Z (угловая): Ebl с', (П2А)г V2K

Q — П 71 win

пэ~ 6 ап(2+ап /1^ ; arctg/m '

Жесткость по поперечной оси ОХ (лянеШгая):

Gns= Ebn Лс /5Д /(an arctg/IJT).

На рис.1 показана конструктивная схема интегрального акселерометра. Узел ЧЭ в виде массы 3, связанной с основанием 1 через упругие консоли 4,закрыт крышками 2. При этом образуются две заполненные газом полости 5 и 6,сообщающиеся через периферийный зазор 7 и центральное отверстие 8 в массе.

Исследование демпфирования подвижных узлов (ПУ) интегральных акселерометров в тонких газовых слоях базируется на теоретическом решении уравнений Навье-Стокса в задаче обтекания газом плоского ПУ, перемещающегося в узком зазоре между двумя ' параллельными твердыми' стенками. Гри этом разумны следующие допущения и ограничения: газ является несжимаемым;силы инерции и массовые силы малы в срявнении с силами трения; выравнивание

давлений вдоль оси 02, перпендикулярно к плоскостям ЧЭ, по сравнению с другими направлениями практически безынерционно ввиду относительной малости зазора Н (рис.1); в качестве граничных служат условия молекулярного прилипания вязкого газа к твердым стенкам; движение элементарных объемов газа в ■ узких зазорах вне пограничных слоев - безвихревое (потенциальное).

ЛЧ ± 2.

_3

Г 8

± Л |

X

Ь,

т

т Я

¥ г

о.

м

'■•••А , 7

Ч» : Оо

-м

ТЕ

тг

^гп

,8-

ж

-г

<

Рис.1. К демпфированию подвижных узлов акселерометров

Полученные результаты приведены в таблице 2.

, Таблица 2

Теоретические зависимости коэффициентов демпфирования интегральных чувствительных;элементов

Форма инерционного элемента; размеры Вид движения ЧЭ

осевое маятник.

а) прямоугольная ол*Ъ с центральным отверстием ао*Ьо - (1-в)г(2+29-92)+(1-9)3(2+2в^в2) а3л(А-е)/(1-3)+ъ1(1-й)/(1-6) где; в=о0 /ал , 9=р0 /Ъд . кв=КсРа

б) прямоугольная ал*ьл ■I / 2

Окончание таблицы 2

Форма инерционного элемента ; размеры Еи/д движения ЧЭ

осевое маятник.

в) квадратная Кд = ца* / Ь.3-, ( ал=Ьл ) ' Ч^а

г) в виде диска диаметром Т>л 31 я я* = —-И1 ■ Ь.

д) прямоугольная ал*ья с центральным отверстием ао*Ъо и Пд дополнительными ад*ъд • распределенными по внутреннему контуру аЛ ' с площадью боковых отверстий Хд=ц/ (2Н3)- Г • аУл (\+*Ъ> ,

)/(1-91)/( 1-е,; ; ' ❖«ЗД ]. а*(1-ез)/(1-зг)+ъ*(1-92)/(1-еа)\' где: 1а=(1-61)а(2+29{-д*)< ?ь=( 12+29 Вл=ав/ал , р0=(1-е3)а(2+2э\=ъв/ьл . ^(1-*3)3(2+2ез-01), 9а=а0/ан , а6=ац+ 0.53уьц . ан=ац-С,53^Ьц, Ън=Ъц-0,5(50-Зб)/аи, Зв=пд-а^.

В табл.2: К& и - коэффициенты демпфирования соответственно осевого и углового движения; (1 - динамический коэффициент вязкости газа; 1а - расствяниэ от условной оси подвеса маятникового ЧЭ (оси качания маятника) до центра давления.

Преобразователи линейного либо углового перемещения ЧЭ в электрический сигнал являются важным функциональным узлом акселерометра,влияющим на его технические показатели. Их вибор производится при наличии ряда противоречивых требований,основные из которых: высокая точность преобразования и надежность, достаточная чувствительность,линейность статической характеристики, достаточная полоса пропускаюл, минимальные массогаба-ритные показатели,технологичность конструкции и экономичность.

Эти общие, требования, в свою очередь, раскрываются через ряд обеспечивающих их требований, в том числе: бесконтактноета преобразования, минимизации обратной силовой реакции преобразователя на ЧЭ, нечувствительности к дестабилизирующему воздействию внешней среды, в особенности температуры, и т.д. Специфическими в изучаемом классе устройств являются требования сочетания схемы и конструкции ПП с физико-техническими особенностями конструкционного материала и соответствия характеру технологических процессов микроэлектроники.

Этим требованиям удовлетворяет полупроводниковый датчик микроперемещений на полевом эффекте в виде транзистора МДП-•-структуры с подвижным затвором [3], совмещенным конструктивно с ротором (либо якорем) ПЛ. Канал проводимости его выполняется на статоре между истоком и стоком в.. виде защищенной тонким слоем диэлектрика (510а) примесно-имплантированной области. Поддерживая постоянным напряжение зажигания канала,по вариации его сопротивления можно выявлять перемещение ЧЭ акселерометра.

Теоретически установлено, что вольт-амперная характеристика •акой ВДП-структуры может обеспечить линейную зависимость сопротивления канала Як от зазора Л между каналом и затвором:

2 I Л . V £г 1

при условии выполнения встроенного канала проводимости с глубиной диффузии У, равной:

. т в . ' (2)

где Ъ и 2 - соответственно длина (от истока до стока) и ширина канала; и - подвижность носителей проводимости,* е_ - электри-

П О

ческая постоянная; £„,£., и с—соответственно относительные да-

Г И к

электрические проницаемости заполняющего полость Г1П газа, слоя

вЮ и кремния; 1)=У./У„ - отношение напряжения на стоке к а с к ^

контактной разности потенциалов ик; -отношение концен-

траций донорных и акцепторных примесей; е - заряд электрона.

Из (1) видно, что сопротивление канала зависит от подвижности носителей проводимости, а через нее - от температуры в. Наименьшее влияние температуры на подвижность и сопротивление канала будет в случае обеспечения следующего оптимального 'уровня концентрации при нормальных условиях №да)ор1 '

р 4 /3 П (X + 1) X й е0 ^з е4

I

-I

(3)

постоянней Больцмана;

где х - главное квантовое число; к -» - нормальная температура.

Н

Транзисторы с подвижным затвором, как и измерительные емкости, включаются в измерительный мост по дифференциальной слэме. Анализ основных компонент теоретических моделей емкостного Ш и ПП на базе МДП-структур позволяет сделать вывод о примерной равнозначности характеристик обоих вариантов; однако последний имеет более простую схему электронного блока, и, как следствие, более высокую надежность.

Полная электрическая схема компенсационного интегрального акселерометра с ЭСОП представлена на рис.2.

Рис.2. Принципиальная схема интегрального акселерометра

В корпусе 1 через упругий балочный подвес 2 по^леиена чувствительная масса 3, и все ети элементы выполнены.' травлс-ниеи монолитно из предварительно легированной кремниевой платины. Масса выполняет функции, подвижного электрода ЭСОП. и вятыроа МДП-резисторов.К)... й Ш, включенных в • электрически мс-т й.

Выходное напряжение £7 усилителя 9 является входным для ЭСОП и

С

поступает на резистивные сумматоры 10, относящиеся к схеме линеаризации по напряжению. Подвижный 3 и неподвижные электроды 4 и 5, сформированные на 'двух крышках, составляют основной дифференциальный ОП.Подвижный 3 и поочередно неподвижные электроды 6 и 7 образуют дополнительные недифференциальные преобразователи, служащие совместно с ключевыми схемами управления 11 и 12 для уменьшения нелинейности ЭСОП по перемещению.

Крутизна Кои статической характеристики "напряжение - сила" звена обратной связи такой схемы соответствует:

-О -г -с -О Т, V 1 - У^о ]/ К а максимум относительной погрешности нелинейности 6

(г)

равен:

Г с

гн = I —^

2= П.

с У. ] г

-1

Ло )

(5)

где У - опорное напряжение; К^ - коэффициент масштабирования суммирующей схемы; Н0 - начальный зазор между электродами по-дви5кным и неподвижными ЭСОП; - максимальное перемещение ЧЭ. У.мньсение 6 обеспечивается при условии выбора площади 5 до-

н

полнительного электрода из следующего отношения:

С = Б. / ^ Д о

8^2 - * ^^

/ П.

(6)

где 50'- площадь основного электрода ЭСОП.

Результаты исследования динамики интегрального акселерометра, имеющего подвижный узел с двумя степенями свободы, отражены на структурной схеме рис.3.

1 1,

3 с

Рис.З,. Структурная схема интегрального акселерометра

Анализ динамики интегрального акселерометра с консольным подвесом ЧЭ показал, что наиболее существенными являются два взаимовлияюцих движения ЧЭ: угловое вокруг оси, параллельной оси подвеса, и поступательное вдоль измерительной оси. В связи с этим, наиболее важны две соответствующие характеристики подвеса: угловая жесткость и ■ линейная-О .

Передаточная функция ИСз) акселерометра, согласно структуре рас.З, и передаточной функции электронной части в- виде апериодического фильтра ??эч(9)=Кэ^(ТфЗ+1) с постоянной времени Тф , имеет 5-й порядок и определяется выражением:.

К Г?аэ2+23 7з+1)

О 1 2 3 4

(7)

Параметры, входящие в передаточную функцию (6), равны!

К=

т Ч

У- /

(8)

2 - Vс 7 * ■* •*

йо= * V« ^ ¿сг+Чф-1^ * Чф)/ав :

^[ОпКвЮпС6Тф,Кавв+К0^(Хв+Кв11)ШБ1 к6=к01%',

йАЧ+КосЧ<Рб+КосКэчСп11 ' Л^сг^с •

.где К -коэффициент передачи акселерометра; Яэч - -коэффициент передачи электронной схемы совместно с ПП; т - масса ЧЭ; I -расстояние от места соединения массы с консольным подвесом до центра'масс ЧЭ; Я_„ - коэффициент передачи звена обратной свя-

ОС

зи; - главный момент инерции.

Изучение динамических характеристик на цифровой модели показало, что в случае консольного подвеса ЧЭ в виде балок переменного сечения с поверхностями малой кривизны доминирующим фактором является изменение соотношения жэсткостей и С„ , а

О и

оно зависит в первую очередь от отношения длин, подвеса ап к. массы ад. Если длина подвеса соответствует меньшему отрезку при золотом сечении длины массы, то влияние осевог . и. маятникового каналов друг на друга максимально, что проявляется в

большей склонности ГШ к возбуздению и увеличению показателя колебательности АЧХ. Было также выяснено, что отношение приведенной осевой жесткости в виде произведения к угловой жесткости подвеса может служить критерием перехода от полней динамической модели (7) к маятниковой с одной степенью свободы. Если это отношение больше 10, то частоты максимумов АЧХ обеих моделей совпадают,а показатели колебательности отличаются не более, чем на 6%. Подвесы с поверхностями большой кривизны обеспечивают такое отношение, и.соответственно модель акселерометра является маятниковой, а порядок передаточной функции на 2 ниже,чем у полной модели (7),что дает возможность использовать аналитические методы для синтеза характеристик.

В третьей главе решены задачи оптимизации параметров по критериям минимума операционной погрешности и максимума отношения "сигнал/шум". Показано, что при наличии в структуре акселерометра, кроме ПУ, других динамических звеньев целесообразно оптимизировать параметры ПУ на основе системного подгода,-по полюй структуре, а не отдельно для механического контура.

Улучшение■ отношения "сигнал/шум" в конструктивном отношении сводится к рациональному размещению перфорирующих отверстий по плоскости 43 ,см. табл.2, г.) и оптимальному выбору газового зазора. В качестве максимизируемой целевой функции служит отношение начальной емкости ПП к коэффициенту демпфирования при дополнительном ограничении на относительное значение последнего. При этом возникает задача на условный экстремум в классе задач нелинейного программирования. Аналитической решение ее для модели акселерометра в виде колебательного звена второго порядка дает следующие оптимальные значения газового

зазора Ъ. и периметра а,, , вдоль которого равномерно распре-ор*. ц

здены перфорирующие отверстия:

а., г 0,631 а ; h .

У Л opt

0,707-US^ T?Q . -,(1/3)

(9)

'«„pt." 0C1V J

opt

где i - оптимальное значение относительного коэффициента демпфирования; S^ - площадь ЧЭ квадратной в плане формы.

Таким образом,перфорирующие отверстия следует располагать !.?" ;'Г* по контуру размером в 0,631 от стороны ЧЭ, что примерно г. -тявтетвует параметру 0,618 метода золотого сечения.

В четвертой главе приведены методики экспериментальных исследований и результаты обработки акспериментальных данных.

Статико-температурные испытания проводились на установке для экспресс-анализа,корпус которой выполнен в виде многогранника с обработанйлш и ориентированными друг относительно друга гранями с высокой точностью. Установка позволяет имитировать дискретные значения ускорения в пределах 0...±1g за счет поворота по граням, а также получать одновременно зависимость статической характеристики от температуры.

Статико-температурные испытания опытных образцов подтвердили теоретические оценки ожидаемой точности.

Методика обработки экспериментальной АЧХ интегрального -акселерометра, снятой на вибростенде, основывается на расчете в режиме диалога с ЭВМ параметров цифровой динамической модели акселерометра, обеспечивакщих близость теоретической и экспериментальной АЧХ по критерию минимума средаеквадратического отклонения. Для маятникового акселерометра с одной степенью свободы с передаточной функцией,соответствующей колебательному звену 2-го порядка, при любых вариантах АЧХ, как с резонансом, так и без него (случай передемпфированного ЧЭ), при вводе трех пар точек экспериментальной АЧХ "частота U - амплитуда : 1)и=ао=о и ао=а(ыо), 2)и=и1 и э)а=ыз'и <=*(ыа),

коэффициент передачи X, собственная частота и' и относительный коэффициент демпфирования 5 определяются по формулам:

КЫо , <J0=Z*)a . 5=0,52» /^-(1-1/ф3)2 , , J (10)

где безразмерные параметры выражаются через исходные данные: 82(1-Й3) 1(1/4) о А А 1

-bfe^i] (I«

По этой методике были обработаны результаты динамических испытаний двадцати интегральных акселерометров на диапазоны измерений 1g, 2g, и 5g. Выла обеспечена хорошая сходимость результатов: расхождение АЧХ не превышало 5,4%. Теоретические модели упругих подвесов, газодинамического демпфирования и линейная динамическая модель интегрального акселерометра подтверждаются экспериментальными исследованиями.

В приложении приведены результаты экспериментальных исследований, программа идентификации АЧХ и протокол ее работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТУ

1.Разработана математическая модель интегрального акселерометра. При ее разработке были поставлены и решены научные задачи анализа движения чувствительных элементов 'различных конфигураций в тонких газовых слоях, анализа влияния температуры на подвижность носителей проводимости в полупроводнике.

2.Получены теоретические зависимости упругих характеристик подвесов с криволинейными поверхностями, коэффициентов демпфирования интегральных чувствительных элементов, уравнений преобразования и погрешностей узлов акселерометра.

3.Проведена на основе полученных теоретических зависимостей оптимизация преобразователя перемещения на .ВДП-транзисто-ре по критерию минимума погрешности нелинейности и температурной погрешности.

4.Выполнена оптимизация подвижного узла не основе системного подхода по критерию минимума операционной погрешности и по критерию максимума отношения "сигнал/шум".

5.Получены в результате анализа узлов и их оптимизации прикладные зависимости, составляющие основу для проектирования интегрального акселерометра.

■ 6.Разработанные математические модели узлов интегрального акселерометра предсказывают новые конструктивные и схемные решения, повышающие точность.. Новые решения для преобразователя перемещений и компенсационной схемы акселерометре в целом за-вдщены авторскими свидетельствами на изобретения.

7.Разработана методика проведения экспериментальных исследований и обработки результатов. Экспериментальные исследования макетов и опытных образцов интегральных акселерометров подтверждают адекватность теоретических моделей.

8.Результаты исследования внедрены на предприятии ОКБ "Темп" при разработке, изготовлении.и испытании интегральных акселерометров, а также в Арзамасском филиале НГТУ в учебном курсе "Конструирование интегральных датчиков".

Основное содержание работы отражено в следующих докладах и публикациях:

1. А.с.1217094 (СССР). Компенсационный маятниковый акселерометр /Поздяев В.И. и др.-Зарегистрир. в Гос.реестре изобр. СССР 08.11.1935г. Приоритет изобр.03.05.84г.

2. A.c.1306326 (СССР). Компенсационный акселерометр /Вавилов В.Д., Поздяев В.И.- Зарегистрир. в Гос.реестре изобр. СССР 22.12.1986г..Приоритет изсбр.29.05.85г.

3. A.c.1377572 (СССР). Датчик перемещения /Вавилов В.Д.. Поздяев В.И. -Б.И.,1988, №з.

4. A.c.1774710 (СССР). Устройство для измерения перемещений /Поздяев В.И. и др.-Зарегистрир. в Гос.реестре изобр. СССР 08.07.1992г. Приоритет изобр.23.05.89г.

5. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Конструирование интегральных датчиков: Учебное пособие.-М.:Изд-во МАИ, 1993.-68С.

6. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Температурная погрешность преобразователей микроперемещений на полупроводниковых монокристаллах. -Технология авиационного приборо- и агрегатостро-ения, 1990, №4, с.58...60.

7. Вавилов В.Д., Поздяев В.И., Чудаков Ю.Л. Исследование RC-генерат'-з для измерительных преобразователей. -Технология авиационного приборо- и агрегатостроения,1989, №2, с.24...26.

8. Вавилов В.Д., Поздяев В.И., Яковлев A.A.K исследованию динамики относительного движения твердого тела. -Тезисы докладов НТК "Бубновские чтения-88" /Под ред. Ершова Н.Ф. -Горький, ГПИ, 1988, с.21-22.

9. Вавилов В.Д., Поздяев В.И., Шеянов В.Н. Об аэродинамическом демпфировании чувствительных элементов интегральных акселерометров. -Груды НИТИ, 1986, вып.2(30), с.89...93.

10. Поздяев В.И. и др. Оценка погрешностей емкостного измерительного преобразователя микроперемещений.-Деп.в ВИМИ.спр. №ДД1544 от 28.02.91. Реферат опубл. в сб.ВИМИ,1990, зып.№ю.

11. Поздяев В.И. и др.Исследование жесткости интегральных упругих подвесов с криволинейными обводами.-Деп.в ВШИ, справка №ДД1545 от 28.02.91.Реферат опубл.в сб.ВИМИ,1990,вып.г£ю.