RU2244936C2

RU2244936C2 - Device for stabilizing temperature of micromechanical sensitive element

Info

Publication number: RU2244936C2
Application number: RU99125913/09A
Authority: RU
Inventors: Я.А. Некрасов (RU); Я.А. Некрасов
Original assignee: Некрасов Яков Анатольевич
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2005-01-20

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: device has temperature-sensitive element mounted in series with correcting unit and transistor mounted onto sensitive element. Correcting unit has to differential amplifier which has output connected with inverting input of differential amplifier through capacitor and resistor connected to each other in series. Zero position error can be achieved during process of temperature stabilization due to the fact that amplifier and resistor are introduced additionally into the circuit and placed between resistor and capacitor. Input of additional amplifier is connected with common point of the first resistor and capacitor. Output of additional amplifier is connected with common point of first and second resistors through second additional resistor.

EFFECT: improved precision; reduced power consumption.

4 dwg, 5 cl

Description

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к чувствительным элементам инерциального типа, например к акселерометрам и гироскопам. Практически все типы инерциальных датчиков чувствительны к изменениям температуры окружающей среды. Этот недостаток присущ и датчикам нового типа: микромеханическим. Известны микромеханические акселерометры (например, серия ADXL фирмы Analog Devices [1]), вибрационные датчики угловой скорости (например, серия ENC фирмы Murata, вибрационные гироскопы Stark Draper Laboratory [2]). Изменение температуры окружающей среды приводит в них к температурному дрейфу нуля и изменению чувствительности. Эффективным методом уменьшения влияния температуры окружающей среды на них является использование систем стабилизации температуры [2]. Поэтому в некоторые из чувствительных элементов встраивают датчик температуры, как в ADXL 105 [1]. Уменьшить влияния градиентов температуры на точность инерциальных датчиков можно за счет изменения в них с помощью специальных нагревательных элементов рассеиваемой в датчиках мощности. Например, в акселерометре по патенту Российской Федерации №2120639 [3] введен резистивный нагревательный элемент, который через регулировочный резистор подключается к источнику постоянного тока. Это позволяет за счет ручной регулировки уменьшить градиенты температуры в этом чувствительном элементе в начальные моменты времени после включения, однако не обеспечивает стабилизации температуры акселерометра, что приводит к ухудшению его точности при изменениях температуры окружающей среды. Снижение точности чувствительного элемента при изменениях температуры окружающей среды и является недостатком устройства по патенту Российской Федерации №2120639, которое принято в качестве прототипа. К недостаткам прототипа можно отнести и низкую экономичность, т.к. помимо мощности, рассеиваемой в нагревательном элементе, дополнительная величина мощности рассеивается и на регулировочном резисторе. Недостаток прототипа обусловлен и тем, что в нем используется не активная (автоматическая) система стабилизации температуры, а пассивная (ручная, выполняемая один раз) компенсация градиентов температуры.The invention relates to the field of instrumentation, in particular to inertial type sensitive elements, for example, accelerometers and gyroscopes. Almost all types of inertial sensors are sensitive to changes in ambient temperature. This disadvantage is inherent in the sensors of a new type: micromechanical. Micromechanical accelerometers are known (for example, ADXL series from Analog Devices [1]), angular velocity sensors (for example, Murata ENC series, Stark Draper Laboratory vibration gyroscopes [2]). A change in ambient temperature leads to a temperature drift of zero and a change in sensitivity. An effective method of reducing the influence of ambient temperature on them is the use of temperature stabilization systems [2]. Therefore, a temperature sensor is built into some of the sensitive elements, as in ADXL 105 [1]. The influence of temperature gradients on the accuracy of inertial sensors can be reduced by changing the power dissipated in the sensors using special heating elements. For example, in the accelerometer according to the patent of the Russian Federation No. 2120639 [3], a resistive heating element is introduced, which is connected to a direct current source through an adjustment resistor. This allows, due to manual adjustment, to reduce the temperature gradients in this sensitive element at the initial time after switching on, however, it does not stabilize the temperature of the accelerometer, which leads to a deterioration in its accuracy with changes in ambient temperature. The decrease in accuracy of the sensitive element with changes in ambient temperature is a disadvantage of the device according to the patent of the Russian Federation No. 2120639, which is adopted as a prototype. The disadvantages of the prototype include low profitability, because in addition to the power dissipated in the heating element, an additional amount of power is dissipated on the regulating resistor. The disadvantage of the prototype is due to the fact that it uses not an active (automatic) temperature stabilization system, but passive (manual, performed once) temperature gradient compensation.

Целью изобретения является повышение точности чувствительного элемента за счет использования системы стабилизации температуры, повышения точности и экономичности последней.The aim of the invention is to increase the accuracy of the sensitive element through the use of a temperature stabilization system, increasing the accuracy and efficiency of the latter.

Дополнительной целью предлагаемого изобретения является уменьшение габаритов и стоимости чувствительного элемента с встроенной системой стабилизации температуры в случае его выполнения по полупроводниковой технологии, например, в виде микромеханического устройства.An additional objective of the invention is to reduce the size and cost of the sensitive element with an integrated temperature stabilization system if it is implemented using semiconductor technology, for example, in the form of a micromechanical device.

Поставленная цель достигается тем, что устройство стабилизации температуры чувствительного элемента, содержащее нагревательный элемент, снабжено датчиком температуры чувствительного элемента, подключенным к входу корректирующего звена, и транзистором с близкой к линейной зависимостью между входным сигналом и током через него, являющимся нагревательным элементом и установленным на чувствительном элементе, при этом выход корректирующего звена соединен с входом нагревательного элемента.This goal is achieved in that the device for stabilizing the temperature of the sensitive element containing the heating element is equipped with a temperature sensor of the sensitive element connected to the input of the correction link, and a transistor with a close to linear relationship between the input signal and the current through it, which is the heating element and mounted on the sensitive element, while the output of the correction link is connected to the input of the heating element.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что корректирующее звено выполнено в виде дифференциального усилителя, выход которого через последовательно соединенные конденсатор и резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя.In addition, the goal is achieved by the fact that the corrective element is made in the form of a differential amplifier, the output of which is connected through a series-connected capacitor and resistor to the inverting input of the differential amplifier.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что в корректирующее звено между основным резистором и конденсатором введены дополнительный усилитель и дополнительные первый и второй резисторы, первый дополнительный резистор включен между основным резистором и конденсатором, вход дополнительного усилителя подключен к общей точке первого дополнительного резистора и конденсатора, а выход через второй дополнительный резистор подключен к общей точке основного и первого дополнительного резисторов.In addition, the goal is achieved by the fact that an additional amplifier and additional first and second resistors are introduced into the correction link between the main resistor and the capacitor, the first additional resistor is connected between the main resistor and the capacitor, the input of the additional amplifier is connected to the common point of the first additional resistor and capacitor, and the output through the second additional resistor is connected to a common point of the main and first additional resistors.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что датчик температуры установлен в центре одной из поверхностей чувствительного элемента, а нагревательные элементы - на ее периферии или на смежных с ней поверхностях.In addition, the goal is achieved by the fact that the temperature sensor is installed in the center of one of the surfaces of the sensing element, and the heating elements on its periphery or on adjacent surfaces.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что вокруг датчика температуры, транзисторов, являющихся нагревательными элементами, и чувствительного элемента нанесено покрытие с низкой теплопроводностью.In addition, the goal is achieved by the fact that around the temperature sensor, transistors, which are heating elements, and the sensitive element is coated with low thermal conductivity.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства стабилизации температуры чувствительного элемента.Figure 1 shows a block diagram of a device for stabilizing the temperature of a sensitive element.

Устройство стабилизации температуры чувствительного элемента 1 содержит нагревательный элемент 2, снабжено датчиком температуры 3 и корректирующим звеном 4. При этом элементы 2 и 3 встроены в элемент 1 или расположены на его поверхности, вход звена 4 соединен с выходом элемента 3, а выход звена 4 подключен ко входу элемента 2.The temperature stabilization device of the sensitive element 1 contains a heating element 2, is equipped with a temperature sensor 3 and a corrective link 4. Moreover, elements 2 and 3 are built into or located on element 1, the input of link 4 is connected to the output of element 3, and the output of link 4 is connected to the input of element 2.

На фиг.2 приведен пример реализации предложенного устройства стабилизации температуры чувствительного элемента.Figure 2 shows an example implementation of the proposed device for stabilizing the temperature of the sensitive element.

Устройство стабилизации температуры чувствительного элемента 1 содержит нагревательный элемент 2, выполненный в виде МОП транзистора, датчик температуры 3 выполнен в виде источника напряжения (отметим, что датчик температуры может быть построен на кремниевом полупроводниковом диоде, он имеет чувствительность примерно 2мВ/°С), выход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 5, выход которого через последовательно соединенные конденсатор 6 и резистор 7 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 5. Элементы 5-7 образуют корректирующее звено 4. Резистор 8 соединен с резистором 9. Общая точка резисторов 8,9 соединена с инвертирующим входом дифференциального усилителя 5, вывод резистора 8 подключен к источнику напряжения 10, который соединен со стоком транзистора 2, затвор которого подключен к выходу усилителя 5. Вывод резистора 9 и исток транзистора 2 соединены с общим источника 10. В качестве варианта реализации нагревательного элемента на биполярном транзисторе может быть использована т.н. схема "токового зеркала" или токоотвода с диодным смещением, описанная в литературе [4, стр.75].The temperature stabilization device of the sensitive element 1 contains a heating element 2 made in the form of a MOS transistor, the temperature sensor 3 is made as a voltage source (note that the temperature sensor can be built on a silicon semiconductor diode, it has a sensitivity of about 2 mV / ° C), output which is connected to the non-inverting input of the differential amplifier 5, the output of which through series-connected capacitor 6 and the resistor 7 is connected to the inverting input of the differential amplifier 5. Elements 5-7 form a corrective link 4. Resistor 8 is connected to resistor 9. The common point of resistors 8.9 is connected to the inverting input of differential amplifier 5, the output of resistor 8 is connected to voltage source 10, which is connected to the drain of transistor 2, the gate which is connected to the output of the amplifier 5. The output of the resistor 9 and the source of the transistor 2 are connected to a common source 10. As a variant of the implementation of the heating element on a bipolar transistor, the so-called a circuit of a “current mirror” or a current collector with diode bias described in the literature [4, p. 75].

На фиг.3 приведен вариант выполнения реализации корректирующего звена 4. В этом корректирующем звене дополнительный дифференциальный усилитель 11 и дополнительные первый и второй резисторы (соответствено резисторы 12 и 13) подключены следующим образом: первый дополнительный резистор 12 включен между основным резистором 7 и конденсатором 6, неинвертирующий вход дополнительного усилителя 11 подключен к общей точке первого дополнительного резистора 12 и конденсатора 6, а выход через второй дополнительный резистор 13 подключен к общей точке основного 7 и первого дополнительного 12 резисторов и соединен со своим инвертирующим входом.Figure 3 shows an embodiment of the implementation of the correction link 4. In this correction link, an additional differential amplifier 11 and additional first and second resistors (respectively, resistors 12 and 13) are connected as follows: the first additional resistor 12 is connected between the main resistor 7 and the capacitor 6, the non-inverting input of the additional amplifier 11 is connected to a common point of the first additional resistor 12 and the capacitor 6, and the output through the second additional resistor 13 is connected to a common point of the bases 7 and the first additional 12 resistors and is connected to its inverting input.

На фиг.4 приведен пример расположения датчика температуры и транзисторов на поверхности малогабаритного чувствительного элемента, имеющего форму параллелипепеда, например датчика угловой скорости серии ENV фирмы Murata. Датчик температуры 3 установлен на верхней поверхности датчика угловой скорости, а транзисторы нагреватели 2,14, например биполярные транзисторы, на двух боковых поверхностях.Figure 4 shows an example of the location of the temperature sensor and transistors on the surface of a small-sized sensitive element in the form of a parallel-pedal, for example, the angular velocity sensor of the ENV series from Murata. The temperature sensor 3 is mounted on the upper surface of the angular velocity sensor, and the transistors are 2.14 heaters, for example bipolar transistors, on two side surfaces.

На фиг.5 датчик, приведенный на фиг.4, установлен на теплоизолирующем основании 15 и закрыт сверху и боков теплоизолирующей крышкой 16.In Fig. 5, the sensor shown in Fig. 4 is mounted on the heat-insulating base 15 and is closed on top and sides by the heat-insulating cover 16.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. Датчик температуры 4 преобразует температуру чувствительного элемента 1 в электрический сигнал, который корректирующим звеном 4 усиливается и преобразуется в сигнал управления нагревательным элементом 2. Нагревательный элемент 2 изменяет рассеиваемую в чувствительном элементе 1 мощность в зависимости от сигнала датчика температуры 4 и поддерживает температуру чувствительного элемента 1 постоянной.The device in figure 1 works as follows. The temperature sensor 4 converts the temperature of the sensor 1 into an electrical signal, which is amplified by a correction element 4 and converted into a control signal of the heating element 2. The heating element 2 changes the power dissipated in the sensor 1 depending on the signal from the temperature sensor 4 and keeps the temperature of the sensor 1 constant .

Устройство на фиг.2 работает следующим образом. МОП-транзистор 2 имеет зависимость между током стока Iст и напряжением затвор-исток Uзи, близкую к линейной. Мощность Р, рассеиваемая транзистором, равна произведению Icт-U₁₀, (U₁₀ - напряжение источника 10). Поэтому зависимость между выходной мощностью нагревательного элемента, выполненного в виде МОП-транзистора, входным и выходным сигналами корректирующего звена 4 будет линейной. Отметим, что в отличие от прототипа вся рассеиваемая мощность используется для нагрева элемента 1.The device in figure 2 works as follows. MOSFET 2 has a relationship between the drain current Ist and the gate-source voltage Uзi, which is close to linear. The power P dissipated by the transistor is equal to the product Ict-U ₁₀ , (U ₁₀ is the voltage of the source 10). Therefore, the relationship between the output power of the heating element, made in the form of a MOS transistor, the input and output signals of the correction link 4 will be linear. Note that, unlike the prototype, all dissipated power is used to heat element 1.

Корректирующее звено 4 реализует передаточную функцию,The corrective link 4 implements the transfer function,

соответствующую ПИ-регулятору (s-оператор Лапласа). Как известно, ПИ-регулятор (реализует пропорциональный и интегральный закон управления) позволяет получить нулевую статическую ошибку. А благодаря тому что элементы, образующие устройство, линейные, полоса пропускания может быть выбрана максимальной во всем диапазоне выходных мощностей нагревательного элемента.corresponding PI controller (Laplace s-operator). As you know, the PI controller (implements the proportional and integral control law) allows you to get a zero static error. And due to the fact that the elements forming the device are linear, the bandwidth can be selected maximum in the entire range of output powers of the heating element.

Отметим, что в случае резистивных нагревателей и управления током через них выходная мощность оказывается пропорциональна квадрату управляющего сигнала, что приводит к зависимости контурного усиления от выходной мощности. И в этом случае сложнее обеспечить требуемые и качество переходных процессов, и быстродействие.Note that in the case of resistive heaters and current control through them, the output power is proportional to the square of the control signal, which leads to the dependence of the loop gain on the output power. And in this case, it is more difficult to provide the required quality of transients, and speed.

Устройство на фиг.3 работает следующим образом. Ток, протекающий через конденсатор 6, усиливается усилителем 11 в R12/R13 раз. Этим достигается эффект т.н. умножения емкости С₆, причем коэффициент умножения равен отношению сопротивлений резисторов R12/R13 (до 10000, как проверено в эксперименте). Благодаря этому можно получить относительно большие постоянные времени при малых значениях емкости конденсатора С₆. Это свойство упрощает задачу реализации корректирующего звена в кристалле кремния при создании микромеханического чувствительного элемента. Отметим, что получение больших емкостей при использовании полупроводниковой технологии невозможно.The device in figure 3 works as follows. The current flowing through the capacitor 6 is amplified by the amplifier 11 in R12 / R13 times. This achieves the effect of the so-called multiplication capacitance C ₆ , and the multiplication coefficient is equal to the ratio of the resistances of the resistors R12 / R13 (up to 10000, as verified in the experiment). Due to this, it is possible to obtain relatively large time constants for small values of the capacitor C ₆ . This property simplifies the task of implementing the corrective link in a silicon crystal when creating a micromechanical sensitive element. Note that obtaining large capacities using semiconductor technology is impossible.

В устройстве на фиг.4 при использовании в качестве нагревателей 2,14 транзисторов типа КТ814 было получено за счет использования предложенного устройства уменьшение влияния температуры окружающей среды в 30 раз. Это обусловлено тем, что при симметричном размещении нагревательных элементов по периферии датчика температуры достигается стабилизация средней по объему чувствительного элемента температуры.In the device of Fig. 4, when 2.14 transistors of the KT814 type are used as heaters, a 30-fold decrease in the influence of ambient temperature was obtained by using the proposed device. This is due to the fact that with a symmetrical arrangement of the heating elements around the periphery of the temperature sensor, stabilization of the temperature average in volume of the sensitive element is achieved.

Подобное расположение реализуемых по полупроводниковой технологии нагревательных элементов и датчика температуры обеспечивает стабилизацию средней температуры всего кристалла кремния, в котором реализован микромеханический чувствительный элемент. Теплоизоляция чувствительного элемента в соответствие с фиг.5 позволяет снизить потребляемую при стабилизации температуры мощность и тем самым повысить экономичность устройства. Отметим, что в случае микромеханического чувствительного элемента корпус его целесообразно выполнять из теплоизолирующего материала.Such an arrangement of heating elements and a temperature sensor sold using semiconductor technology ensures stabilization of the average temperature of the entire silicon crystal, in which a micromechanical sensitive element is implemented. The thermal insulation of the sensitive element in accordance with figure 5 allows to reduce the power consumed during stabilization of the temperature and thereby increase the efficiency of the device. Note that in the case of a micromechanical sensing element, it is advisable to carry out its housing from a heat insulating material.

ЛитератураLiterature

1. "High Accuracy ±lg to ±5g Single Axis iMEMS® Accelerometer With Analog Input Data Sheet (Rev. A, 9/99)" http://www.analog.com/productSelection/pdf/ADXL105 a.pdf.1. "High Accuracy ± lg to ± 5g Single Axis iMEMS® Accelerometer With Analog Input Data Sheet (Rev. A, 9/99)" http://www.analog.com/productSelection/pdf/ADXL105 a.pdf.

2. M.E.Ash, C.V.Trainor, R.D.Elliott, J.T.Borenstein, A.S.Kourepenis, P.A.Ward, M.S. Weinberg. "Micromechanical Inertial Sensor Development at Draper Laboratory with Recent Test Results Symposium Gyro Technology." 1999, Stuttgart, Germany.2. M.E. Ash, C.V. Trainer, R. D. Elliott, J.T. Borenstein, A.S. Kourepenis, P.A. Ward, M.S. Weinberg. "Micromechanical Inertial Sensor Development at Draper Laboratory with Recent Test Results Symposium Gyro Technology." 1999, Stuttgart, Germany.

3. Курносов В.И., Андрюхин А.И. "Акселерометр", пат. Российской Федерации №2120639.3. Kurnosov V.I., Andryukhin A.I. "Accelerometer", US Pat. Russian Federation No. 2120639.

4. А.Б.Гребен. "Проектирование аналоговых интегральных схем," Энергия, М.,1976.4. A.B. Greben. "Design of analog integrated circuits," Energy, M., 1976.

Claims

1. The device for stabilizing the temperature of a micromechanical sensitive element, containing at least one transistor, characterized in that it contains a temperature sensor connected to the input of the correction link, and the transistor is a heating element, made with a close to linear relationship between the input signal and the current through It is mounted on a micromechanical sensitive element, the corrective element is made in the form of a differential amplifier, the output of which is through series-connected con the capacitor and the main resistor are connected to the inverting input of the differential amplifier, the output of which is connected to the control electrode of the transistor.

2. The device according to claim 1, characterized in that an additional amplifier and additional first and second resistors are introduced into the correction link between the main resistor and the capacitor, the first additional resistor is connected between the main resistor and the capacitor, the input of the additional amplifier is connected to a common point of the first additional resistor and a capacitor, and the output through the second additional resistor is connected to a common point of the main and first additional resistors.

3. The device according to claim 1, characterized in that the temperature sensor is installed in the center of one of the surfaces of the micromechanical sensing element, and these transistors are located on its periphery or on surfaces adjacent to it.

4. The device according to claim 1, characterized in that around the temperature sensor, these transistors and a micromechanical sensitive element is coated with low thermal conductivity.