Методика измерения характеристик микромеханических акселерометров емкостного типа

Обижаев Денис Юрьевич,

кандидат технических наук,

Жукова Светлана Александровна,

кандидат технических наук, заведующая сектором ФГУП «Научно-исследовательского физико-химического института имени Л.Я. Карпова»,

Гринькин Евгений Анатольевич,

аспирант «МАТИ» – Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского,

Корпухин Андрей Сергеевич,

директор ООО «МикроНика».

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации [1]. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. С 1965 года начали создавать акселерометры на базе технологии МЭМС [2]. Уменьшение в размерах привело к массовому серийному производству. В настоящее время промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений и другие функциональные характеристики, массу, габариты и цены. По принципу действия различают следующие типы акселерометров: емкостные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические, тензорезистивные, тепловые, туннельные [3, 4]. Акселерометры емкостного типа являются наиболее простыми, надежным и легко реализуемыми, что обусловливает их широкое распространение. Принцип их работы заключается в следующем. При ускорении движения вдоль оси чувствительности, происходит деформирование упругой подвески, которая является подвижным электродом, при этом неподвижный электрод расположен на поверхности подложки. Таким образом, изменяется расстояние между электродами, а следовательно, емкость конденсатора, образованного ими.

            При разработке и изготовлении микромеханических акселерометров емкостного типа необходимо проводить контроль их характеристик. Методики измерения характеристик являются неотъемлемой частью производственного цикла изделий и служат для оперативного внесения корректировок в конструкции и технологии устройств на стадии разработки. В настоящей работе предложена методика измерения характеристик микромеханических акселерометров емкостного типа, обеспечивающих измерение ускорений в диапазоне от 0 до 500 м/с² с точностью 0,05 м/с², при этом масса образцов в корпусе не должна превышать 10 г, а размеры в плоскости – 3 см х 3 см.

Перед началом измерений образцы акселерометров должны быть смонтированы в стандартный металлокерамический корпус. При этом контактные площадки на образцах должны быть приварены к контактным площадкам на корпусе при помощи ультразвуковой сварки.

Ускорение образца в установленном диапазоне измерения задают при помощи вибростенда посредством регулировки амплитуды и частоты вибрации столика с закрепленным экспериментальным образцом. Фотография вибростенда с установленным на его столике акселерометром представлена на Рис. 1.

Рис. 1. Оборудование для проведения испытаний экспериментальных образцов: 1 - вибростенд с закрепленным на его поверхности эталонным датчиком колебаний; 2 – калибратор.

Ускорение, с которым движется образец, при этом определяется по следующему соотношению:

a = -x_mw sin(wt),

где x_m – амплитуда колебаний; w – угловая частота; t – время колебаний.

При этом изменение ускорения вызывает изменение электрической емкости образца. Принцип экспериментального определения действующей величины ускорения заключается в следующем. На вход экспериментального образца и последовательного соединенной с ним электрической емкостью постоянной величины, подают синусоидальный сигнал с частотой 500 кГц. За счет изменения электрической емкости образца происходит, таким образом, изменение его реактивного сопротивления по соотношению:

R = 1/(wC),

где С – электрическая емкость образца.

Таким образом, вследствие изменения соотношения реактивного сопротивления экспериментального образца и постоянной электрической емкости происходит изменение величины падения напряжения на экспериментальном образце. Этот сигнал промодулирован по амплитуде с частотой колебаний столика вибростенда. Далее сигнал подвергается детектированию и фильтрации, после чего фиксируется при помощи милливольтметра. Задаваемое ускорение контролируют при помощи эталонного датчика колебаний, откалиброванного предварительно при помощи калибратора. Для этого закрепляют датчик на столике калибратора (типа Robotron 11032) и соединяют с контрольно-измерительным оборудованием в соответствии со схемой, приведенной на Рис. 2. Устанавливают на калибраторе ускорение 9,8 м/с² и проводят измерение выходного сигнала эталонного датчика колебаний при помощи милливольтметра (типа В3-39) [5].

Принципиальная схема стенда для измерений приведена на Рис. 3.

Рис. 2. Принципиальная схема коммутации оборудования для калибровки эталонного датчика колебаний: 1 – Калибратор AT01m; 2 – эталонный датчик колебаний ADXL150; источник питания GPS 3030D; 4 – милливольтметр В3-39.

Измерения характеристик акселерометров с помощью разработанной методики проводят следующим образом.

Предварительно необходимо провести регулировку электрической емкости конденсатора C₁ (Рис. 3) таким образом, чтобы ее значение соответствовало исходному значению электрической емкости экспериментального образца.

При измерениях измеряемое ускорение на эталонном датчике колебаний рассчитывают по соотношению:

,

где V_исп – выходное напряжение, измеряемое на выходе эталонного датчика при испытаниях, V_кал - выходное напряжение, измеряемое на выходе эталонного датчика при калибровке, g – ускорение свободного падения.

Рис. 3. Принципиальная схема стенда для испытаний емкостного модуля образцов компонентов инерциальных датчиков: 1 – вибростенд с интегрированным усилителем; 2 – генератор низкочастотный Г3-120; 3 - источник питания GPS 3030D; 4 – милливольтметр В3-39; 5 – осциллограф АСК 3106, подсоединенный к персональному компьютеру; 6 -  генератор опорной частоты (f=500 КГц); 7 – блок обработки сигнала от емкостного модуля; 8 – экспериментальный образец; 9 – эталонный датчик колебаний ADXL150.

Далее экспериментальный образец закрепляют на столике вибростенда [6], соединяют с контрольно-измерительным оборудованием в соответствии со схемой, приведенной на Рис. 3. Затем изменяют амплитуду на выходе низкочастотного генератора (типа Г3-120) для варьирования ускорения на вибростенде в диапазоне 0 – 500 м/с² с шагом  10 м/с². Задаваемое ускорение контролируют при помощи эталонного датчика колебаний (типа ADXL150 фирмы «Analog Devices»). Напряжение на выходе блока обработки сигнала измеряют при помощи милиивольтметра. Форма выходного сигнала должна соответствовать форме входного сигнала, задаваемого при помощи генератора. Форму сигналов измеряют при помощи двухканального осциллографа (типа АСК-3106). В случае соответствия форм сигналов по полученным данным строят калибровочную кривую в координатах «задаваемое ускорение – напряжение на выходе блока обработки сигнала». Как правило, эта зависимость носит линейный характер.

С помощью разработанная методика позволяет проводить измерения характеристик микромеханических акселерометров емкостного типа в диапазоне ускорений от 0 до 500 м/с² точностью 0,05 м/с².

Литература.

1.                  Мокров Е.А., Папко А.А. Акслерометры НИИ физических измерений – элементы микросистемотехники // Нано- и микросистемная техника. 2002. №1. С. 3 – 9.

2.                  Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. М.: Техносфера, 2004. – 528 с.

3.                  Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2006. – 592 с.

4.                  Джексон Р.Г. Новейшие датчики. М.: Техносфера, 2007. – 384 с.

5.                  ГОСТ 9781-85 «Вольтметры электронные аналоговые. Общие технические требования и методы испытаний».

6.                  ГОСТ ИСО 5347-0-95 «Вибрация. Методы калибровки датчиков вибрации и удара. Часть 0. Общие положения».

Поступила в редакцию 23.09.2008 г.