Мікромеханічний акселерометр на рухомому об’єкті (стр. 2 из 12)

- двохтактний високочастотний генератор, вихідна напруга якого подається в протифазі на нерухомі пальці диференційних конденсаторів(

);

- демодулятори ( в кожному каналі X, Y), входи яких підключені до рухомих пальців

; в демодуляторах вихідний сигнал конденсаторів, величина та фаза якого визначаються з вимірювальним прискоренням, демодулюється в порівнянні з напругою високочастотного генератора;

- RC- фільтри на виході демодуляторів, резистори яких знаходяться в складі мікросхеми, а конденсатори, що забезпечують разом з резисторами фільтрацію вихідного сигналу демудулятора, можуть бути підключені зовні. Тобто, виводи підключення конденсаторів є виводами вихідного аналового сигналу;

- двохканальний перетворювач вихідної аналогової напруги в сигнал з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Вимірювальне прискорення пропорційне

, де

- тривалість імпульсу,

- період ШІМ- сигналу. Період може бути встановлений в межах від 0,5 до 10 мс.

В інших датчиках – мікросхеми ADXL150/190/250 [2] на виході замість ШІМ- перетворювача використовують буферні підсилювачі, які дозволяють також робити підрегулювання нуля та максимального показання шкали вихідної напруги. Ця мікросхема має температурний датчик, який може бути використаний для температурної компенсації вихідної напруги датчика прискорення. Всі датчики мають канал самотестування. Використання спеціалізованих процесорів забезпечує отримання вихідних даних в цифровій формі [2].

Акселерометри застосовуються в різноманітних системах рухомих об’єктів, наприклад системах як керування, так і в системах безпеки руху автомобіля, адже безпека життя людини та комфортність руху на сьогоднішній день є головними задачами в автомобілебудуванні.

На рис.3 показано застосування інерціальних датчиків в автомобільних системах [4].

Рис.3. Приклад застосування інерціальних датчиків в автомобілі

Зеленим кольором на рис.3 показано акселерометри, які реагують на зіткнення автомобіля. Для цього використовується датчики типу: ADXL78/193. Для визначення перевороту використовується ADXL203 та ADXL150/300. Жовтим кольором позначено використання акселерометра в динаміці керування рухом для цього також використовуються акселерометри ADXL203 та ADXL150/300.Червоним зображено керування підвіскою машини – це ADXL103/203 ADXL213. Для навігації (фіолетовий) застосовують ADXL150/401 ADXL203.

На рис. 4 зображені датчики системи безпеки, які забезпечують безпеку життя людини та комфорт. До них відносять датчики активації подушок безпеки та ременів безпеки.

Рис.4. Датчики системи безпеки

-Додаткові датчики

-Двоосні датчики активації подушок

безпеки

-Датчик керування підвісом

- Подушки безпеки

- Датчик ременів безпеки

-Гіроскоп

Таким чином, як видно з наведених даних, сучасні акселерометри мають широке застосування в автомобілебудівній промисловості [3] для забеспечення необхідної безпеки та комфорту руху.

Розглянемо, яким чином відбувається вимірювання прискорень акселерометром, який встановлений в автомобілі.

На рис.5 показано дію прискорення земного тяжіння на акселерометр.

Акселерометр знаходиться в статичному (нерухомому) стані, прискорення руху відсутнє, але його показання виникає завдяки силі тяжіння і залежить від місця розташування відносно Землі. Слід відмітити те, що відповідно до рис.5 проводиться не тільки вимірювання, а і калібровка акселерометра. Прискорення земного тяжіння залежить від географічної широти, із урахуванням впливу обертання Землі, знаходиться в межах від 9,78

( на екваторі) до 9,834

(на полюсах) при середньому значенні 9,81

, крім того прискорення залежить від висоти над рівнем світового океану.

На рис.6 показано приклад вимірювання продольного крену автомобіля при використання прискорення земного тяжіння.

Вісь акселерометра, завдяки якій проводиться вимірювання, співпадає з продольною віссю автомобіля X. Цим же акселерометром проводиться вимірювання лінійного прискорення автомобіля. На рис. 6,а та рис. 6,б показані вектори додатного та від”ємного прискорення руху, та відповідні їм вектори прискорення сил інерції, а також вектори прискорення земного тяжіння, який розташований на осі Z. На рис. 6,в та рис. 6,г показано спосіб вимірювання продольного крену. Якщо автомобіль не рухається – показання акселерометра зумовлені тільки проекцією вектора прискорення земного тяжіння на вісь X:

, де

та

- додатній та від”ємний кут нахилу автомобіля. Аналогічним чином по поперечній осі Y може виконуватись вимірювання кутового прискорення та поперечного крену автомобіля [2].

Таким чином в даному розділі на основі проведеного огляду літературних джерел розглянуті основні особливості акселерометрів, загальний принцип роботи та сфери застосування.

2.Технологічні основи виробництва мікромеханічних приладів

2.1. Вирощування кристалів

Мікромеханічні прилади виготовляються з кристалів кремнію. Для виготовлення пластин використовується хімічно чистий кремній, який добувають із кварцу, іншими словами (з двоокису кремнію) шляхом відновлення з використанням вуглецю [5]. В ході реакції відновлення кисень двоокису кремнію зв’язується з вуглецем, таким чином отримуємо окис вуглецю, а кремній виділяється у вигляді чистої речовини. Далі йде процедура очистки, після чого допустима концентрація забруднюючих речовин складає 0,1 мільйонної долі відсотку. Для вирішення задачі вирощування кристалів як правило застосовують два методи: метод Чохральского та зонну плавку. В обох випадках беруть невеликий кристал з ідеальною структурою, який в першому випадку (рис.7) занурюють в розплав кремнію, а потім безперервно обертаючи повільно витягують разом із налиплим матеріалом.

Рис.7. Метод вирощування кристалів( Метод Чохральского)

В ході наступної дії – охолодження, матеріал котрий налип кристалізується, що і є зародковий кристал. Якщо зародковий кристал буде мати ідеальну структуру, то і кристал, який з нього, виросте також буде мати ідеальну структуру. Згідно методу Чохральского швидкість вилучення кристалу із розплаву лежить в межах від десятих долей міліметра до декількох міліметрів за хвилину.

В методі зонної плавки виконується повільне опускання зони розплаву (рис.8).

Рис.8. Метод вирощування кристалів (Метод зонної плавки )

Кремній, котрий залишився на зоні розплавки застигає у вигляді монокристалу. Розплавлений кремній не розтікається в різні боки, йому заважають сили поверхневого натягу, але до тих пір, поки стержень залишається досить тонким .

Методом Чохральского можна отримати стержні діаметром до 150 мм, а методом зонної плавки - до 100 мм.

Відомо, що використовуються пластини, товщина котрих може бути від 200 до 600 мкм, причому різниця може бути досить велика. При виготовленні інтегральних перетворювачів потрібно використовувати пластини строго заданої товщини. В цьому випадку видалення непотрібного матеріалу можна виконати не тільки механічною обробкою, а іхімічним травленням. Але поверхня при цьому повинна бути полірована, щоб, по-перше, проводити на ній фотолітографію, а по-друге - не погіршувати стану поверхні після травлення, завдяки якому виготовляється сам пружний елемент.