RU2450278C2 - Microsystem accelerometre - Google Patents
Microsystem accelerometre Download PDFInfo
- Publication number
- RU2450278C2 RU2450278C2 RU2009142178/28A RU2009142178A RU2450278C2 RU 2450278 C2 RU2450278 C2 RU 2450278C2 RU 2009142178/28 A RU2009142178/28 A RU 2009142178/28A RU 2009142178 A RU2009142178 A RU 2009142178A RU 2450278 C2 RU2450278 C2 RU 2450278C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- controller
- proportional
- differentiator
- microsystem
- differential
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных акселерометрах и микрогироскопах с силовой компенсацией.The invention relates to measuring equipment and can be used in integrated accelerometers and microgyroscopes with power compensation.
Известен микросистемный акселерометр [1], содержащий магнитную систему, расположенную на неподвижном основании, возвращающую обмотку, расположенную на подвижном узле, и систему температурных компенсаторов со специально подобранными температурными коэффициентами, встроенных между магнитной системой и корпусом. Заявленная точность достигается без учета нагрузочного резистора, т.е. при выходном сигнале по току.Known microsystem accelerometer [1], containing a magnetic system located on a fixed base, returning a winding located on a movable node, and a system of temperature compensators with specially selected temperature coefficients embedded between the magnetic system and the housing. The claimed accuracy is achieved without taking into account the load resistor, i.e. at current output.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерений при выходе по напряжению, поскольку в выходной сигнал существенную долю погрешности вносит нагрузочный резистор.A disadvantage of the known device is the low accuracy of the measurements when output voltage, since the load resistor makes a significant part of the error in the output signal.
Известен микросистемный акселерометр [2], содержащий магнитную систему, расположенную на неподвижном основании, возвращающую обмотку, расположенную на подвижном узле. Известный микросистемный компенсационный акселерометр имеет следующие недостатки:Known microsystem accelerometer [2], containing a magnetic system located on a fixed base, returning a winding located on a movable node. Known microsystem compensation accelerometer has the following disadvantages:
1 - устройство является склонным к потере устойчивости в связи с применением интегратора и требует газодинамического демпфирования;1 - the device is prone to loss of stability due to the use of the integrator and requires gas-dynamic damping;
2 - устройство имеет большую погрешность нулевого сигнала (до 0.1% от предела измерений при сухом азоте), вызванную релаксацией в газе демпфирования.2 - the device has a large error of the zero signal (up to 0.1% of the measurement limit with dry nitrogen) caused by relaxation in the damping gas.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является компенсационный акселерометр [3], содержащий чувствительный к ускорениям маятник, выполненный в кремниевой пластине и соединенный с ней упругими подвесами, емкостный датчик перемещений, интегратор в прямой цепи и магнитоэлектрическую систему отработки воздействия ускорений.Closest to the claimed invention is a compensation accelerometer [3], containing an acceleration-sensitive pendulum made in a silicon wafer and connected to it by elastic suspensions, a capacitive displacement sensor, an integrator in a direct circuit and a magnetoelectric system for practicing the effects of accelerations.
Известный микросистемный компенсационный акселерометр имеет следующие недостатки:Known microsystem compensation accelerometer has the following disadvantages:
1 - в статический коэффициент передачи акселерометра входит значение жесткости упругих подвесов, которая зависит от окружающей температуры;1 - the static coefficient of accelerometer transmission includes the value of the stiffness of the elastic suspensions, which depends on the ambient temperature;
2 - устройство является склонным к потере устойчивости в связи с применением интегратора и требует газодинамического демпфирования;2 - the device is prone to loss of stability due to the use of the integrator and requires gas-dynamic damping;
3 - устройство имеет большую погрешность нулевого сигнала (до 0.1% от предела измерений при сухом азоте), вызванную релаксацией в газе демпфирования.3 - the device has a large error of the zero signal (up to 0.1% of the measurement limit with dry nitrogen) caused by relaxation in the damping gas.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности датчиков с силовой компенсацией за счет выполнения оптимального соотношения между дифференциальной, пропорциональной и интегрирующими составляющими управляющего сигнала отработки и вакуумирования чувствительного элемента.The problem to which the invention is directed, is to increase the accuracy of sensors with power compensation by performing the optimal ratio between the differential, proportional and integrating components of the control signal for testing and evacuating the sensing element.
Этот технический результат достигается тем, что в микросистемный компенсационный акселерометр, содержащий чувствительную массу, выполненную в кремниевой пластине и соединенную с ней упругими подвесами, емкостный датчик перемещений и магнитную систему с возвращающей обмоткой, в соответствии с изобретением в его прямую цепь контура регулирования введено корректирующее устройство в виде пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора со следующей передаточной функциейThis technical result is achieved by the fact that in the microsystem compensation accelerometer containing a sensitive mass made in a silicon wafer and connected with elastic suspensions, a capacitive displacement sensor and a magnetic system with a return winding, in accordance with the invention, a correction device is introduced into its direct control circuit in the form of a proportional-integral-differential controller with the following transfer function
где α1 - коэффициент передачи регулятора по дифференциальной составляющей, α2 - коэффициент передачи регулятора по пропорциональной составляющей, α3 - коэффициент передачи регулятора по интегрирующей составляющей, α4 - постоянная времени фильтра сглаживания шумов дифференциатора, причем , α2=1, α4 - период релаксации шумов дифференциатора, J - момент инерции чувствительной массы относительно оси качания, Gу - жесткость упругих подвесов чувствительной массы, s - оператор Лапласа.where α 1 is the transfer coefficient of the controller in the differential component, α 2 is the transmission coefficient of the controller in the proportional component, α 3 is the transfer coefficient of the controller in the integrating component, α 4 is the time constant of the filter for smoothing the noise of the differentiator, and , α 2 = 1, α 4 is the relaxation period of the differentiator noise, J is the moment of inertia of the sensitive mass relative to the swing axis, G у is the stiffness of the elastic suspensions of the sensitive mass, s is the Laplace operator.
Существенное отличие изобретения заключается в том, что в нем осуществляется оптимальное демпфирование в электрическом контуре и повышение статической точности за счет применения пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора и его настройки в соответствии с заявкой.A significant difference of the invention lies in the fact that it provides optimal damping in the electrical circuit and increase static accuracy through the use of a proportional-integral-differential controller and its settings in accordance with the application.
Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами, показанными на фигурах 1, 2 и 3, где на фиг.1 показан боковой вид предложенного устройства в разрезе. В кремниевой пластине 1 выполнена посредством анизотропного травления по контуру 2 чувствительная масса (маятник) в виде двух пластин 3 и 5, жестко соединенных по линии качания (ось y). Чувствительная масса посредством упругих подвесов 4 соединена с кремниевой пластиной 1. На нижней поверхности чувствительной массы нанесен слой 7 магнитопровода с вытравленными двумя прямоугольными окнами 8, в которые вставлены постоянные магниты 6. Таким образом, получены между постоянными магнитами и магнитопроводом зазоры, в которых размещаются проводники возвращающей обмотки. Для выравнивания магнитной индукции в зазоре по высоте постоянных магнитов 6 и магнитопровода 7 образованы полюсные наконечники. С другой стороны кремниевой пластины к ней приварена неподвижная обкладка с электродами емкостного датчика перемещений (на фигуре не показана).The inventive device is illustrated by the drawings shown in figures 1, 2 and 3, where figure 1 shows a side view of the proposed device in section. In
На фиг.2 показано устройство при виде сверху. На пластине-подложке 1 выполнен нагрузочный резистор 2 в виде меандровой дорожки. Своими концами нагрузочный резистор подключен к контактным площадкам 4. Рядом расположены проводники двух одинаковых обмоток 3 и 5. Одна из обмоток 3 является силовой для отработки обратной связи, вторая обмотка 5 предназначена для тестирования микросистемного акселерометра.Figure 2 shows the device when viewed from above. On the
На фиг.3 приведена структурная схема заявляемого устройства. На схеме приняты следующие обозначения: - передаточная функция подвижного узла (маятника); Kчэ=ml - коэффициент передачи чувствительного элемента; m - чувствительная масса; l - рычаг маятника; Kпп=Uопl/h - коэффициент передачи датчика перемещений; h - зазор между поверхностью чувствительной массы и неподвижной обкладкой; Uоп - опорное напряжение; Wкор(s) - передаточная функция корректирующего устройства (функция определена формулой 1); Kус - коэффициент передачи масштабного усилителя; - коэффициент передачи силового звена обратной связи; Rн - сопротивление нагрузки; B - магнитная индукция в зазоре; n - число витков в возвращающей обмотке (в заявляемом устройстве один виток); L - длина одного витка.Figure 3 shows the structural diagram of the inventive device. The following notation is used in the diagram: - transfer function of the moving unit (pendulum); K ce = ml - transmission coefficient of the sensitive element; m is the sensitive mass; l is the lever of the pendulum; K PP = U op l / h - transfer coefficient of the displacement sensor; h is the gap between the surface of the sensitive mass and the stationary lining; U op - reference voltage; W cor (s) is the transfer function of the correction device (the function is defined by formula 1); K us - the gain of the scale amplifier; - transmission coefficient of the power feedback link; R n - load resistance; B - magnetic induction in the gap; n is the number of turns in the return winding (in the inventive device, one turn); L is the length of one turn.
На фиг.4 приведена принципиальная схема реализации корректирующего устройства в соответствии с формулой изобретения. На ОУ1 реализовано первое слагаемое формулы (1) - дифференциатор, где R1C1=α1, и апериодический фильтр R1C2=α4. На ОУ2 реализован интегратор, где R2C3=α3. Коэффициент передачи регулятора по пропорциональной составляющей реализован отношением резисторов R6/R5=α2. Суммирование пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих осуществляется с помощью ОУ3. Корректирующее устройство своим входом в соответствии со структурной схемой включается к выходу масштабного усилителя, а выходом - ко входу силового звена обратной связи.Figure 4 shows a schematic diagram of the implementation of the corrective device in accordance with the claims. On OS1, the first term of formula (1) is implemented — the differentiator, where R 1 C 1 = α 1 and the aperiodic filter R 1 C 2 = α 4 . An integrator is implemented on OS2, where R 2 C 3 = α 3 . The proportional component of the regulator transmission coefficient is realized by the ratio of resistors R 6 / R 5 = α 2 . The summation of the proportional, integral and differential components is carried out using OS3. The correcting device with its input in accordance with the structural diagram is connected to the output of a large-scale amplifier, and the output to the input of the power feedback link.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. В нейтральном положении, без действия ускорений, чувствительная масса является неподвижной, а на выходе устройства имеет место нулевой сигнал по напряжению. При действии линейного ускорения того или иного знака, чувствительная масса осуществляет угловое движение, емкостный мост разбалансируется и напряжение, усиленное электронным усилителем, поступает на вход пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора. В первую очередь вступает в действие дифференцирующая цепочка, ускоряя прохождение сигнала и тем самым в электрическом контуре демпфирование движению чувствительной массы. После этого в действие вступает цепочка пропорционального регулирования, отслеживая положение чувствительной массы. Напряжение сигнала, поступившего в возвращающую обмотку, создает магнитоэлектрическую силу, противодействующую инерционной. При этом чувствительная масса принудительно приводится в исходное состояние. К концу движения сигнал в интегрирующей цепочке имеет максимальное значение, удерживая чувствительную массу в близком к нейтральному положению. При резких скачках чувствительной массы в действие почти одновременно вступают все три составляющие регулирования, тем самым эффективно демпфируется движение.The operation of the claimed device is as follows. In the neutral position, without the action of accelerations, the sensitive mass is stationary, and at the output of the device there is a zero voltage signal. Under the action of linear acceleration of one or another sign, the sensitive mass carries out angular motion, the capacitive bridge is unbalanced, and the voltage amplified by the electronic amplifier is supplied to the input of the proportional-integral-differential controller. First of all, a differentiating chain comes into play, accelerating the passage of the signal and thereby damping the movement of the sensitive mass in the electrical circuit. After that, a proportional control chain comes into effect, tracking the position of the sensitive mass. The voltage of the signal entering the return winding creates a magnetoelectric force that counteracts the inertial one. In this case, the sensitive mass is forced to its original state. By the end of the movement, the signal in the integrating chain has a maximum value, keeping the sensitive mass in a close to neutral position. With sharp jumps in the sensitive mass, all three components of regulation come into effect almost simultaneously, thereby effectively damping the movement.
Из анализа контура регулирования микросистемного акселерометра коэффициент передачи в статике определяется в виде:From the analysis of the control loop of the microsystem accelerometer, the transmission coefficient in static is determined as:
Нагрузочный резистор выполнен из одного и того же материала, что и возвращающая обмотка, и его температурные изменения оцениваются в основном изменением длины проводника. На подложке нагрузочный резистор расположен рядом с возвращающей обмоткой, поэтому их отношение является величиной стабильной и вносит в коэффициент чувствительности незначительную погрешность. Что касается величины магнитной индукции B, то современная промышленность может обеспечить нулевой температурный коэффициент постоянным магнитам с применением присадок из редкоземельных металлов, например из сплава «кобальт-самарий-гадалиний». Таким образом, точность заявляемого устройства не зависит от температурных изменений.The load resistor is made of the same material as the return winding, and its temperature changes are evaluated mainly by changing the length of the conductor. On the substrate, the load resistor is located next to the return winding, so their ratio is stable and introduces a slight error in the sensitivity coefficient. As for the magnitude of the magnetic induction B, modern industry can provide a zero temperature coefficient for permanent magnets using additives from rare-earth metals, for example, from a cobalt-samarium-gadalinium alloy. Thus, the accuracy of the claimed device does not depend on temperature changes.
Преимуществами заявленного устройства в сравнении с известным являются: 1 - достигнутая статическая точность, определяемая только точностью технологического изготовления элементов устройства; 2 - оптимальное демпфирование, полученное за счет применения и настройки пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора в соответствии с изобретением.The advantages of the claimed device in comparison with the known are: 1 - achieved static accuracy, determined only by the accuracy of the technological manufacture of the elements of the device; 2 - optimal damping obtained by applying and adjusting the proportional-integral-differential controller in accordance with the invention.
Источники информацииInformation sources
1. Вавилов В.Д., Поздяев В.И. Конструирование интегральных датчиков. - М: изд-во МАИ, 1993, - 68 с.1. Vavilov V.D., Pozdyaev V.I. Design of integrated sensors. - M: publishing house MAI, 1993, - 68 p.
2. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Нижний Новгород: изд-во НГТУ, 2003, С.500.2. Vavilov V.D. Integrated Sensors. Nizhny Novgorod: NSTU Publishing House, 2003, p. 500.
3. Патент России №2231795, М.кл. G01B 15/08, от 10 декабря 2002 г.3. Patent of Russia No. 2231795, M.cl. G01B 15/08, December 10, 2002
Claims (1)
,
где α1 - коэффициент передачи регулятора по дифференциальной составляющей, α2 - коэффициент передачи регулятора по пропорциональной составляющей, α3 - коэффициент передачи регулятора по интегрирующей составляющей, α4 - постоянная времени фильтра сглаживания шумов дифференциатора, причем , α2=1, α4=τ - период релаксации шумов дифференциатора. A microsystem accelerometer containing a sensitive mass made in a silicon wafer and connected to it by elastic suspensions, a fixed dielectric plate attached to it with electrodes of a capacitive displacement sensor, a control loop containing a direct circuit with a scaling amplifier and a feedback circuit, characterized in that it is direct the control loop circuit includes a correction device in the form of a proportional-integral-differential controller containing a differentiator with which a noise filter and an integrator are placed, with the next transfer function
,
where α 1 is the transfer coefficient of the controller in the differential component, α 2 is the transmission coefficient of the controller in the proportional component, α 3 is the transfer coefficient of the controller in the integrating component, α 4 is the time constant of the filter for smoothing the noise of the differentiator, and , α 2 = 1, α 4 = τ is the relaxation period of the differentiator noise.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009142178/28A RU2450278C2 (en) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Microsystem accelerometre |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009142178/28A RU2450278C2 (en) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Microsystem accelerometre |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009142178A RU2009142178A (en) | 2011-05-27 |
RU2450278C2 true RU2450278C2 (en) | 2012-05-10 |
Family
ID=44734340
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009142178/28A RU2450278C2 (en) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Microsystem accelerometre |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2450278C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2764055C1 (en) * | 2020-10-02 | 2022-01-13 | Акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина" - АО "АПЗ" | Method for building systems for measuring physical quantities with multi-circuit feedback (variants) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5277053A (en) * | 1990-04-25 | 1994-01-11 | Litton Systems, Inc. | Square law controller for an electrostatic force balanced accelerometer |
RU2231796C2 (en) * | 2002-12-10 | 2004-06-27 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "Темп-Авиа" | Integrated accelerometer |
RU2231795C1 (en) * | 2002-12-10 | 2004-06-27 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "Темп-Авиа" | Sensitive element of integrated accelerometer |
-
2009
- 2009-11-16 RU RU2009142178/28A patent/RU2450278C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5277053A (en) * | 1990-04-25 | 1994-01-11 | Litton Systems, Inc. | Square law controller for an electrostatic force balanced accelerometer |
RU2231796C2 (en) * | 2002-12-10 | 2004-06-27 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "Темп-Авиа" | Integrated accelerometer |
RU2231795C1 (en) * | 2002-12-10 | 2004-06-27 | Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "Темп-Авиа" | Sensitive element of integrated accelerometer |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ВАВИЛОВ В.Д. Интегральные датчики. - Нижний Новгород: изд-во НГТУ, 2003, с.248-260. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2764055C1 (en) * | 2020-10-02 | 2022-01-13 | Акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод имени П.И. Пландина" - АО "АПЗ" | Method for building systems for measuring physical quantities with multi-circuit feedback (variants) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2009142178A (en) | 2011-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7347097B2 (en) | Servo compensating accelerometer | |
RU2126161C1 (en) | Compensation accelerometer | |
Langfelder et al. | Z-axis magnetometers for MEMS inertial measurement units using an industrial process | |
CN108008152B (en) | Method and device for acquiring parasitic mismatch capacitance of MEMS accelerometer | |
Rouf et al. | Area-efficient three axis MEMS Lorentz force magnetometer | |
JP2017173328A (en) | Accelerometer sensor system | |
RU2450278C2 (en) | Microsystem accelerometre | |
Zou et al. | Micro-electro-mechanical resonant tilt sensor with 250 nano-radian resolution | |
RU2410703C1 (en) | Linear microaccelerometre | |
Manabe et al. | Production and application of horizontal jerk sensor | |
KR20190095155A (en) | Accelerometers | |
CN103033255B (en) | Extraction device for relative motion capacity of low-frequency electromagnetic vibration generator system | |
JP2010281813A (en) | Usage of pole piece for guiding magnetic flux generated by mems device, and method for manufacturing the same | |
EP2362231A1 (en) | Out-of-plane comb-drive accelerometer | |
RU2561303C1 (en) | Linear microaccelerometer | |
RU2431850C1 (en) | Accelerometre integral sensitive element | |
JP3818399B2 (en) | Ultra-small acceleration sensor | |
Ha et al. | A capacitive silicon microaccelerometer with force-balancing electrodes | |
Andò et al. | A friction less accelerometer exploiting a magnetic levitating mechanism and an inductive readout strategy | |
Trah et al. | Physics of semiconductor sensors | |
KR101264771B1 (en) | Accelerometer with silicon pendulum assembly which improves scale factor linearity under high-g acceleration | |
RU2506546C1 (en) | Microelectromechanical sensor of micro motions with magnetic field | |
Shin | High-Stability and Temperature-Compensated MEMS Resonant Beam Accelerometer | |
RU2028001C1 (en) | Method of compensation of temperature error of slope of characteristic of accelerometer | |
RU2242011C2 (en) | Magnetic-electric force converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151117 |