УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ЧАСТОТ И ДОБРОТНОСТИ ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
DEVICE TO MEASURE RESONANT FREQUENCIES AND GOOD QUALITY OF MOVABLE ELEMENTS OF MICROMECHANICAL DEVICES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества микромеханических элементов, например подвижных частей чувствительных элементов (ЧЭ) микромеханических устройств (акселерометров, гироскопов, датчиков давления и других устройств).
Размеры элементов (торсионы, подвесы) МЭМС, определяющие основные характеристики, а именно масштабный коэффициент и резонансную частоту, составляют величину от единиц до десятков микрон, и визуальный контроль размеров обладает низкой точностью, поэтому для контроля используется интегральный параметр, а именно резонансная частота подвижного (чувствительного) элемента МЭМС. Другим интегральным параметром является добротность. Как известно, величина добротности показывает, во сколько раз запасы энергии в колебательной системе больше, чем потери энергии за один период колебаний. Потери в ЧЭ определяются в основном двумя факторами: потери за счет демпфирования, потери в торсионном подвесе ЧЭ (в основном вследствие дефектов кристаллической решетки). У гироскопов добротностью определяется один из основных параметров - дрейф нуля. У акселерометров дефекты в торсионах влияют на такие параметры, как пороговая чувствительность, динамический диапазон, величина гистерезиса и так далее.
Известно устройство определения резонанса конструкции с использованием емкостных вибропреобразователей, в котором испытуемое изделие является подвижной обкладкой воздушного конденсатора, неподвижной обкладкой которого является искусственный электрод, и состоит из вибростенда, на котором закреплен испытуемый элемент, искусственного электрода и измерительной системы [1]. При вибрации изделия расстояние от него до искусственного электрода меняется, следовательно, меняется емкость, что фиксируется измерительной системой. При этом возможно измерение как резонансных частот, так и добротности.
2
К достоинству устройства следует отнести возможность бесконтактного дистанционного измерения перемещений (вибрации). Недостатком является возможность измерения только токопроводящих изделий и деталей площадью не менее 30 мм, а также достаточно длительный процесс установки искусственного электрода.
Наиболее близким по своей технической сущности является устройство для реализации способа измерения резонансных частот [2]. Измерение резонансных частот ЧЭ МЭМС реализуется устройством, содержащим генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности, вибростенд, на подвижной части которого закреплена МЭМС, и линейный источник света. Источник света расположен так, что индикатриса излучения источника проходит через МЭМС, при этом ось вдоль длинной стороны линейного источника света параллельна оси поворота чувствительного элемента МЭМС, а сам источник света состоит из люминесцентной лампы и линейной диафрагмы. Излучение от линейного источника света направляется на МЭМС, причем ось вдоль длинной стороны линейного источника света параллельна оси поворота МЭМС, при этом оператором контролируется отраженное изображение в виде линии. По мере приближения к резонансной частоте отраженная от МЭМС линия расширяется на плоскости исследуемого объекта. По достижении максимальной величины расширения линии снимаются показатели генератора.
Измерение резонансных частот данным устройством производится с относительно высокой точностью, а измерение добротности может производиться с очень низкой точностью, так как изменение амплитуды колебаний может фиксироваться только визуально по изменению ширины засвеченной области.
Задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерения резонансных частот и определения добротности.
Для достижения поставленной задачи в устройство, содержащее генератор, регулятор амплитуды, усилитель мощности, вибростенд, на подвижной части которого закреплена МЭМС, и точечный источник излучения, дополнительно введены позиционно-чувствительный фотоприемник, блок предусилителей, первый и второй разностный усилители, суммирующий усилитель, первый и второй фазочувствительный выпрямитель, блок автоматической регулировки усиления, модулятор и генератор импульсов.
В предлагаемом устройстве с помощью точечного источника излучения и фотоприемника отраженное от исследуемого ЧЭ МЭМС излучение преобразуется в электрические сигналы, которые усиливаются и преобразуются в выходные напряжения устройства, величины которых однозначно связаны с параметрами колебаний. Причем точность фиксации как максимального значения амплитуды колебаний (измерение резонансной частоты), так и ее изменения на 3 дБ (определение добротности) производится аппаратным путем, что приводит к существенному повышению точности измерения по сравнению с визуальным методом.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где изображено:
Фиг.1 - общая схема устройства, где:
1 - генератор,
2 - регулятор амплитуды,
3 - усилитель мощности,
4 - вибростенд,
5 - подвижная часть вибростенда,
6 - МЭМС,
7 - точечный источник излучения,
8 - позиционно-чувствительный фотоприемник (ПЧФ),
9 - блок предусилителей,
10 - первый разностный усилитель,
11 - второй разностный усилитель,
12 - суммирующий усилитель,
13 - первый фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ),
14 - второй первый фазочувствительный выпрямитель,
15 - блок автоматической регулировки усиления (АРУ),
16 - модулятор,
17 - генератор импульсов.
Устройство для измерения добротности содержит генератор 1, регулятор 2 амплитуды, усилитель 3 мощности, вибростенд 4, на подвижной части 5 которого закреплен МЭМС 6. Точечный источник излучения 7 расположен так, что оптическая ось излучателя направлена исследуемый МЭМС. Позиционно чувствительный фотоприемник 8 своими выходами подключен к блоку 9 предварительных усилителей, первый и третий выходы которого соединены с входами первого разностного усилителя 10. Входы второго разностного усилителя 11 подключены к второму и четвертому выходам блока 9 предварительных усилителей. Входы суммирующего усилителя 12 соединены с первым, вторым, третьим и четвертыми выходами блока 9 предварительных усилителей. Выход первого разностного усилителя 10 соединен с первым входом ФЧВ 13, выход которого является первым выходом устройства. Выход второго суммирующего усилителя 11 соединен с входом ФЧВ 14, выход которого является вторым выходом устройства. Выход суммирующего усилителя 12 соединен со вторыми входами первого ФЧВ 13 и второго ФЧВ 14 и с входом блока 15 АРУ. Выход блока 15 АРУ подключен к первому входу модулятора 16, второй вход которого подключен к выходу генератора 17 импульсов, а выход модулятора 16 подключен к источнику 7 излучения.
Устройство работает следующим образом. На подвижной части 5 вибростенда закреплена исследуемая МЭМС 6. Излучение от точечного источника 7 направляется на подвижную часть исследуемого МЭМС 6. Поверхность подвижной части МЭМС 6 является практически идеальным зеркалом, которое отражает излучение от источника 7 излучения в сторону ПЧФ 8. Центральная ось индикатрисы излучения должна быть параллельна плоскости, к которой перпендикулярна ось вращения подвижных элементов МЭМС. В этом случае чувствительность устройства и соотношение сигнал-шум максимальны. Когда излучение попадает на ПЧФ 8, электрический заряд пропорциональный интенсивности падающего излучения образуется в месте падения излучения. Этот электрический заряд проходит через резистивный слой и попадает на электроды ПЧФ 8 в виде фототоков, обратно пропорциональных расстояниям от освещаемой точки до каждого из электродов. В предусилителях блока 9, выполненных в виде преобразователей ток-напряжение, фототоки ПЧФ 8 преобразуются в соответствующие выходные напряжения. Причем, в том случае если пятно отраженного излучения находится в центре ПЧФ, то все фототоки, а соответственно, и выходные напряжения равны. Первым разностным усилителем 10 осуществляется усиление разности между напряжениями на первом и третьем выходе блока 9, усиленная разность которых поступает на ФЧВ 13, где преобразуется в постоянное напряжение, характеризующее положение светового пятна по оси Х (абсцисс). Вторым разностным усилителем 11 осуществляется усиление разности между напряжениями на втором и четвертом выходе блока 9, усиленная разность которых поступает на ФЧВ 14, где преобразуется в постоянное напряжение, характеризующее положение светового пятна по оси Y (ординат).
0
Выходное напряжение суммирующего усилителя 12 пропорционально мощности излучения, падающего на ПЧФ 8 и практически не зависит от положения светового пятна отраженного излучения на нем. Выходное напряжение суммирующего усилителя 12 используется для формирования с помощью блока 15 АРУ, модулятора 16 и генератора 17 импульсов пульсирующего тока для запитки источника излучения 7. Переменная составляющая увеличивается до тех пор, пока на выходе суммирующего усилителя 12 выходное напряжение не достигнет номинального эффективного значения, например 1 В. Выходное напряжение суммирующего усилителя 12 также используется в качестве опорного напряжения для управления работой обоих ФЧВ. Постоянное напряжение на выходе первого ФЧВ 13 равно нулю в том случае, если центр отраженного излучения находится на оси Y (ординат), то есть смещение по оси Х (абсцисс) равно нулю. Постоянное напряжение на выходе второго ФЧВ 14 равно нулю в том случае, если центр отраженного излучения находится на оси Х (абсцисс), то есть смещение по оси Y (ординат) равно нулю. Данные постоянные напряжения могут быть использованы для юстировки устройства, в частности - для совмещения точки попадания излучения с центром ПЧФ 8. Перемещая ПЧФ относительно центра отраженного излучения, устанавливаются минимальные значения выходных напряжений обоих ФЧВ. После юстировки устройства включается генератор 1, и на выходах обоих ФЧВ контролируется переменная составляющая выходных напряжений. При увеличении частоты генератора 1 по мере приближения к резонансной частоте увеличивается амплитуда колебаний подвижных элементов МЭМС. При этом пятно отраженного излучения на фотоприемнике также начинает двигаться с этой же частотой колебаний по траектории в виде прямой линии. Причем, чем ближе частота колебаний к резонансной, тем больше угол отклонения подвижной части МЭМС, как следствие перемещение отраженного излучения происходит на большей длине. В свою очередь, это вызывает появление на выходах ФЧВ переменной составляющей с частотой, равной частоте генератора 1. Путем изменения частоты генератора 1 определяется частота, при которой переменная составляющая напряжения по одному или обоим выходам ФЧВ максимальна. Данная частота f является резонансной.
Так как выходное напряжение контролируется вольтметром, то точность определения максимума существенно превышает точность визуального определения резонансной частоты оператором, как в прототипе.
н
в
Изменяя частоту на генераторе 1 в сторону уменьшения, фиксируется частота f, при которой значение выходного напряжения уменьшилось на 3 дБ. Аналогично проводится измерение f при увеличении частоты генератора 1. После этого вычисляется значение добротности Q по следующей формуле:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mi>o</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Был изготовлен макетный образец устройства для измерения резонансной частоты и добротности подвижных элементов микромеханических устройств, состоящий из генератора Tektronix AFG3021, усилителя Bruel & Kjasr Type 2718, вибратора Bruel & Kjaer Type 4809, на котором закреплена оснастка для фиксации кремниевых пластин с МЭМС элементами. В качестве ПЧФ использовался фоточувствительный элемент КЧФ-2-9, размер рабочей зоны которого составляет 9х9 мм. В качестве источника излучения использовался лазерный полупроводниковый диод типа LD-63052TL. Все электронные схемы были собраны на операционных усилителях типа AD8606AR, в качестве ключей использовались микросхемы МАХ4544, а в качестве компараторов LMV7239. Запитка всей электроники осуществлялась напряжением 5 В, за исключением модулятора, для питания которого использовалось напряжение 15 В. Экспериментальная проверка полностью подтвердила работоспособность предлагаемого устройства. Были сопоставлены результаты измерения резонансных частот и добротности, полученные с помощью устройства-прототипа, с результатами, полученными с помощью предлагаемого устройства. По сравнению с прототипом точность измерения резонансных частот повысилась в 3-4 раза, а точность определения добротности возросла приблизительно на порядок.
Источники информации
1. ГОСТ РВ 20.57.416-98.
2. Патент РФ 2377509 - прототип.