RU2488785C1 - Method of measuring amplitude-frequency characteristics of movable elements of micromechanical devices - Google Patents

Method of measuring amplitude-frequency characteristics of movable elements of micromechanical devices Download PDF

Info

Publication number
RU2488785C1
RU2488785C1 RU2011152066/28A RU2011152066A RU2488785C1 RU 2488785 C1 RU2488785 C1 RU 2488785C1 RU 2011152066/28 A RU2011152066/28 A RU 2011152066/28A RU 2011152066 A RU2011152066 A RU 2011152066A RU 2488785 C1 RU2488785 C1 RU 2488785C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
harmonic
amplitude
compensation current
capacitor
output
Prior art date
Application number
RU2011152066/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011152066A (en
Inventor
Вадим Николаевич Лапенко
Михаил Андреевич Кик
Антон Викторович Пасютин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ"
Priority to RU2011152066/28A priority Critical patent/RU2488785C1/en
Publication of RU2011152066A publication Critical patent/RU2011152066A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2488785C1 publication Critical patent/RU2488785C1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method involves generating harmonic signals with a constant component on fixed capacitor plates, from which compensation current, which is equal to the first harmonic of the sum of currents flowing through the capacitor, is generated. Constant voltage equal to zero is maintained at the movable plate. The compensation current is generated by iteration, while varying the amplitude of the compensation current and optionally the phase to achieve minimum amplitude of the first harmonic of the output signal. The difference between the compensation charge and the sum of charges flowing through the capacitor is converted to proportionally dependent output voltage. A second harmonic is selected in the output signal. The amplitude-frequency characteristic of the micromechanical device is defined by the ratio of the second harmonic of the output voltage to the first harmonic of the signal generated on capacitor plates.
EFFECT: broader functional capabilities, high accuracy of measuring amplitude-frequency characteristics.
2 dwg

Description

Изобретение относятся к микромеханике и предназначено для измерения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) подвижных элементов микромеханических устройств (ММУ), таких как акселерометры, датчики давления, микрогироскопы, микрозеркала, имеющие емкостной съем сигнала.The invention relates to micromechanics and is intended to measure the amplitude-frequency characteristics (AFC) of moving elements of micromechanical devices (MMU), such as accelerometers, pressure sensors, microgyroscopes, micromirrors having capacitive signal pick-up.

Известны: способ измерения динамических характеристик компенсационного акселерометра [1], способ контроля качества изготовления микромеханических устройств [2], способ измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств [3].Known: a method for measuring the dynamic characteristics of a compensation accelerometer [1], a method for controlling the manufacturing quality of micromechanical devices [2], a method for measuring the amplitude-frequency characteristics of moving elements of micromechanical devices [3].

Размеры частей ММУ колеблются от сотен до долей микрон. В частности, толщина торсионов составляет порядка 8-10 мкм. Визуальный контроль затруднителен и часто единственным способом обеспечения параметров микромеханических устройств является косвенный метод контроля, а именно измерение АЧХ подвижных (чувствительных) элементов, которые характеризуют обобщенный критерий качества изготовления ММУ. Способ [1] предназначен для измерений характеристик акселерометров компенсационного типа, содержащих датчик силы и датчик смещения, что не позволяет использовать его для микромеханических устройств прямого преобразования, содержащих только две неподвижные и одну подвижную обкладки дифференциальной емкости.The dimensions of the parts of the MMU range from hundreds to fractions of microns. In particular, the thickness of the torsion is about 8-10 microns. Visual control is difficult and often the only way to ensure the parameters of micromechanical devices is an indirect control method, namely the measurement of the frequency response of moving (sensitive) elements that characterize the generalized quality criterion for manufacturing MMU. The method [1] is intended for measuring the characteristics of compensation type accelerometers containing a force sensor and a displacement sensor, which does not allow its use for direct conversion micromechanical devices containing only two fixed and one movable differential capacitance plates.

Способ [2] также предназначен для контроля качества изготовления микромеханических устройств, которые состоят из задатчика силы и датчика перемещения. Задатчик силы электростатического типа выполнен в виде дифференциальной емкости. Также как и способ [1], он требует наличия, как задатчика силы, так и задатчика перемещения.The method [2] is also intended to control the quality of manufacturing of micromechanical devices, which consist of a force generator and a displacement sensor. The electrostatic type force adjuster is made in the form of a differential capacity. As well as the method [1], it requires the presence of both a force adjuster and a displacement adjuster.

Известный способ [3] является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и предназначен для измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств. Данный способ включает формирование на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей при установке на подвижной обкладке постоянного смещения, равного нулю. При этом выделяется вторая гармоника суммы зарядов, протекающих через конденсаторы, образованные подвижной и неподвижной обкладками чувствительного элемента. Амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства определяется отношением второй гармоники полученной суммы зарядов к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора.The known method [3] is the closest in technical essence to the claimed invention and is intended to measure the amplitude-frequency characteristics of the moving elements of micromechanical devices. This method includes forming harmonic signals with a constant component on the fixed capacitor plates when installing a constant bias of zero on the moving plate of the capacitor. In this case, the second harmonic of the sum of charges flowing through the capacitors formed by the movable and fixed plates of the sensing element is distinguished. The amplitude-frequency characteristic of a micromechanical device is determined by the ratio of the second harmonic of the obtained sum of charges to the first harmonic of the signal formed on the capacitor plates.

При производстве микромеханических устройств присутствует технологический разброс значений емкостей вследствие разброса величин зазоров, перекосов и т.д.In the production of micromechanical devices, there is a technological variation in the capacitance values due to the variation in the gaps, distortions, etc.

Несовершенство технологических процессов является причиной различных перекосов и неравномерности воспроизведения величин зазоров, вследствие чего возникает разброс значений емкостей чувствительного элемента, что нарушает симметричность емкостной системы вцелом. В результате неравенства емкостей, значения токов перезаряда различаются друг от друга. При этом разностный ток первой гармоники преобразуется в выходное напряжение первой гармоники, величина которого пропорциональна разности емкостей конденсаторов и амплитуде гармонических колебаний на них. Амплитуда колебаний зависит от жесткости торсионов, величина которой пропорциональна диапазону измерения, и от амплитуды гармонических сигналов на неподвижных обкладках конденсатора. Изменение емкости на краю диапазона измерения (номинальное воздействие) составляет приблизительно 20%. Как правило, измерение АЧХ производится при амплитуде колебаний подвижной обкладки, составляющей 10% от амплитуды отклонения при номинальном воздействии, вызывая изменение среднего значения емкости на 2%. Такое изменение удается получить только для преобразователей с малой жесткостью торсионов, что обусловлено ограничением амплитуды гармонических сигналов с постоянной составляющей, величиной пробивного напряжения. Для ряда ММУ с жестким подвесом это изменение может быть меньше примерно на два порядка, что составляет менее 0,02%.The imperfection of technological processes is the cause of various distortions and uneven reproduction of gap values, as a result of which there is a spread in the capacitance values of the sensitive element, which violates the symmetry of the capacitive system as a whole. As a result of the inequality of capacities, the values of the overcharge currents differ from each other. In this case, the difference current of the first harmonic is converted into the output voltage of the first harmonic, the value of which is proportional to the difference in capacitance of the capacitors and the amplitude of harmonic oscillations on them. The amplitude of the oscillations depends on the stiffness of the torsion bars, the magnitude of which is proportional to the measurement range, and on the amplitude of the harmonic signals on the fixed plates of the capacitor. The change in capacitance at the edge of the measuring range (nominal impact) is approximately 20%. As a rule, the frequency response is measured at an amplitude of oscillations of the movable plate, which is 10% of the deviation amplitude at the nominal impact, causing a change in the average value of the capacitance by 2%. Such a change can be obtained only for converters with low torsion stiffness, which is due to the limitation of the amplitude of harmonic signals with a constant component, the value of the breakdown voltage. For a number of MMUs with a rigid suspension, this change can be less than about two orders of magnitude, which is less than 0.02%.

Поэтому, даже относительно небольшая разница значений емкостей в ММУ с жесткими торсионами может приводить к возникновению разностного тока достаточно большой величины, амплитуда которого может значительно превышать амплитуду тока второй гармоники.Therefore, even a relatively small difference in the capacitance values in the MMD with rigid torsions can lead to the appearance of a difference current of a sufficiently large magnitude, the amplitude of which can significantly exceed the amplitude of the current of the second harmonic.

Так как любой зарядочувствительный усилитель (преобразователь заряд-напряжение) обладает определенной нелинейностью амплитудной характеристики, то при преобразовании разностного тока первой гармоники в напряжение, на выходе преобразователя формируется напряжение не только первой, но и более высоких гармоник, в лом числе и второй, приводя, тем самым, к искажению полезного сигнала (напряжение второй гармоники). Для ММУ, обладающих высокой чувствительностью (малой жесткостью подвеса), достаточно большое влияние может оказывать воздействие силы тяжести, приводящее к изменению соотношения величин емкостей конденсаторов.Since any charge-sensitive amplifier (charge-voltage converter) has a certain non-linearity of the amplitude characteristic, when converting the difference current of the first harmonic to voltage, the voltage of not only the first but also higher harmonics is generated at the output of the converter, including the second, resulting in thereby distorting the useful signal (second harmonic voltage). For MMUs with high sensitivity (low rigidity of the suspension), a sufficiently large effect can be exerted by gravity, leading to a change in the ratio of capacitance capacities.

Кроме того, измерение второй гармоники в выходном напряжении на фоне первой, которая во много раз превышает амплитуду второй гармоники, может быть осуществлено с помощью достаточно дорогих измерительных приборов. Цена таких приборов колеблется приблизительно от 80 тысяч (анализатор спектра СК4-56, рабочая частота - от 10 Гц) до более полутора миллионов рублей (анализатор спектра фирмы «Брюль и Къер» типа 3560 PULSE, рабочие частоты - много меньше 1 Гц).In addition, the measurement of the second harmonic in the output voltage against the background of the first, which is many times higher than the amplitude of the second harmonic, can be carried out using fairly expensive measuring instruments. The price of such devices ranges from approximately 80 thousand (spectrum analyzer SK4-56, operating frequency from 10 Hz) to more than one and a half million rubles (spectrum analyzer from Bruhl & Kj типаr type 3560 PULSE, operating frequencies - much less than 1 Hz).

Рассмотренные выше обстоятельства ограничивают область применения, снижая точность измерения АЧХ в способе [3] и требуют применения дорогостоящего оборудования для его реализации.The circumstances discussed above limit the scope, reducing the accuracy of measuring the frequency response in the method [3] and require the use of expensive equipment for its implementation.

Задачей предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей, повышение точности и снижение стоимости оборудования для его реализации.The objective of the proposed method is to expand the functionality, increase accuracy and reduce the cost of equipment for its implementation.

Для достижения поставленной задачи поддерживается постоянное, равное нулю напряжение на подвижной обкладке конденсатора дифференциальной переменной емкости, состоящего из подвижного элемента и двух неподвижных. На неподвижные обкладки подаются в противофазе гармонические сигналы одинаковой частоты и амплитуды с постоянной составляющей, из которых формируется компенсационный ток, равный первой гармонике суммы токов, протекающих через конденсаторы.To achieve this goal, a constant voltage equal to zero is maintained on the movable lining of the capacitor of a differential variable capacitance, consisting of a movable element and two fixed elements. Harmonic signals of the same frequency and amplitude with a constant component are supplied to the stationary plates in antiphase, from which a compensation current is formed equal to the first harmonic of the sum of the currents flowing through the capacitors.

Формирования компенсационного тока проводят итерацией - в начале компенсационный ток устанавливают равным нулю и измеряют в выходном напряжении амплитуду первой гармоники. Затем компенсационный ток увеличивают, при уменьшении амплитуды первой гармоники в выходном сигнале компенсационный ток увеличивают до тех пор, пока амплитуда первой гармоники не станет минимальной, а при увеличении амплитуды первой гармоники в выходном сигнале изменяют фазу компенсационного тока на 180 градусов, при этом амплитуда первой гармоники в выходном сигнале уменьшится, и амплитуду компенсационного тока увеличивают до тех пор, пока амплитуда первой гармоники не станет минимальной; при этом в процессе выполнения итерации учитывается, что дальнейшее увеличение амплитуды компенсационного тока после достижения минимального значения амплитуды первой гармоники выходного сигнала приведет к ее увеличению.Formation of the compensation current is carried out by iteration - at the beginning, the compensation current is set equal to zero and the amplitude of the first harmonic is measured in the output voltage. Then, the compensation current is increased, with a decrease in the amplitude of the first harmonic in the output signal, the compensation current is increased until the amplitude of the first harmonic becomes minimum, and with an increase in the amplitude of the first harmonic in the output signal, the phase of the compensation current is changed by 180 degrees, while the amplitude of the first harmonic in the output signal decreases, and the amplitude of the compensation current is increased until the amplitude of the first harmonic becomes minimal; at the same time, during the iteration, it is taken into account that a further increase in the amplitude of the compensation current after reaching the minimum amplitude of the first harmonic of the output signal will lead to its increase.

Сумма компенсационного заряда и зарядов протекающих через конденсаторы преобразовывается в пропорционально-зависимое выходное напряжение. При этом амплитудно-частотная характеристика ММУ равна отношению второй гармоники выходного напряжения к первой гармонике сигналов, сформированных на обкладках конденсатора.The sum of the compensation charge and the charges flowing through the capacitors is converted into a proportionally dependent output voltage. In this case, the amplitude-frequency characteristic of the MMD is equal to the ratio of the second harmonic of the output voltage to the first harmonic of the signals formed on the capacitor plates.

Благодаря формированию компенсационного тока и вычитания его из суммы протекающих через конденсаторы токов резко снижается величина тока первой гармоники, которая преобразуется в выходное напряжение, уменьшая тем самым амплитуды, как первой гармоники, так и обусловленные нелинейностью преобразования паразитные гармоники, что повышает точность измерения. При этом можно измерять АЧХ ММУ с торсионами как большой, так и очень малой жесткости, обеспечивая, тем самым, расширение возможностей применения данного способа.Due to the formation of the compensation current and subtraction of it from the sum of the currents flowing through the capacitors, the current of the first harmonic decreases sharply, which is converted to the output voltage, thereby reducing the amplitudes of both the first harmonic and the parasitic harmonics caused by the nonlinearity of the conversion, which increases the measurement accuracy. In this case, it is possible to measure the frequency response of the MMU with torsion bars of both large and very low stiffness, thereby ensuring the expansion of the possibilities of using this method.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.The invention is illustrated in graphic materials.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, предназначенного для реализации предложенного способа, гдеFigure 1 shows a block diagram of a device designed to implement the proposed method, where

1 - генератор со средней точкой;1 - midpoint generator;

2 - средняя точка генератора;2 - the midpoint of the generator;

3 - источник постоянного напряжения;3 - source of constant voltage;

4, 5 - симметричные выводы генератора;4, 5 - symmetrical conclusions of the generator;

6, 7 - неподвижные электроды ММУ;6, 7 - fixed electrodes of MMU;

8 - подвижный электрод ММУ;8 - movable electrode MMU;

9 - входу зарядо-чувствительного усилителя;9 - input charge-sensitive amplifier;

10 - резистор;10 - resistor;

11 - конденсатор;11 - capacitor;

12 - операционный усилитель;12 - operational amplifier;

13 - выход зарядо-чувствительного усилителя;13 - output charge-sensitive amplifier;

14 - анализатора спектра или селективный микровольтметр.14 - spectrum analyzer or selective microvoltmeter.

15 - компенсатор;15 - compensator;

16 - потенциометр;16 - potentiometer;

17 - конденсатор.17 - capacitor.

Устройство для реализации предлагаемого способа, структурная схема которого представлена на фиг.1, включает в себя генератор 1 с симметричным выходом и средней точкой. На среднюю точку 2 генератора 1 с источника напряжения 3 подается постоянное напряжение смещения (порядка 20-70 В), а симметричные выводы генератора 4, 5 подключены к неподвижным электродам 6, 7 ММУ и к первому и второму входам компенсатора 15. Подвижный электрод 8 и выход компенсатора подключены к входу 9 зарядо-чувствительного усилителя образованного резистором 10, конденсатором 11, операционным усилителем 12. Первый вывод резистора 10, первый вывод конденсатора 11 и отрицательный вход операционного усилителя 12 замкнуты и образуют вход 9 зарядо-чувствительного усилителя. Вторые выводы резистора 10, конденсатора 11 и выход операционного усилителя 12 замкнуты и образуют выход 13 зарядо-чувствительного усилителя. Положительный вход операционного усилителя 12 подключен к нулевому потенциалу. Выход 13 подключен к входу анализатора спектра 14.A device for implementing the proposed method, the structural diagram of which is presented in figure 1, includes a generator 1 with a balanced output and a midpoint. A constant bias voltage (of the order of 20-70 V) is supplied to the midpoint 2 of the generator 1 from the voltage source 3, and the symmetrical terminals of the generator 4, 5 are connected to the stationary electrodes 6, 7 of the MMU and to the first and second inputs of the compensator 15. The movable electrode 8 and the output of the compensator is connected to the input 9 of the charge-sensitive amplifier formed by the resistor 10, the capacitor 11, the operational amplifier 12. The first output of the resistor 10, the first output of the capacitor 11 and the negative input of the operational amplifier 12 are closed and form the input 9 of the charge-sens powerful amplifier. The second conclusions of the resistor 10, the capacitor 11 and the output of the operational amplifier 12 are closed and form the output 13 of the charge-sensitive amplifier. The positive input of the operational amplifier 12 is connected to zero potential. The output 13 is connected to the input of the spectrum analyzer 14.

Компенсатор 15 может быть выполнен в виде потенциометра 16 и конденсатора 17, первый вывод которого является выходом компенсатора 15, а второй вывод соединен с подвижным ползунком потенциометра 16, два других вывода которого являются входами компенсатора 15.The compensator 15 can be made in the form of a potentiometer 16 and a capacitor 17, the first output of which is the output of the compensator 15, and the second output is connected to the movable slider of the potentiometer 16, the other two outputs of which are the inputs of the compensator 15.

В случае неравенства емкостей при подаче пульсирующего напряжения на обкладки переменного конденсатора разностный ток перезаряда первой гармоники преобразуется в выходное напряжение первой гармоники с помощью зарядочувствительного усилителя и измеряется с помощью селективного вольтметра.In the case of capacitance inequality when applying a pulsating voltage to the plates of an alternating capacitor, the differential current of the first harmonic recharge is converted into the output voltage of the first harmonic using a charge-sensitive amplifier and is measured using a selective voltmeter.

Перемещение ползунка потенциометра приводит к изменению прикладываемого к конденсатору напряжения, а, следовательно, и к изменению компенсационного заряда, приводя к уменьшению или увеличению (в зависимости от фаз разностного и компенсационного токов) амплитуды выходного напряжения первой гармоники. Причем напряжение на выходе потенциометра в среднем положении ползунка равно нулю, а в двух крайних положениях максимально, но при этом фазовый сдвиг составляет 180°.Moving the slider of the potentiometer leads to a change in the voltage applied to the capacitor, and, consequently, to a change in the compensation charge, leading to a decrease or increase (depending on the phases of the difference and compensation currents) of the amplitude of the output voltage of the first harmonic. Moreover, the voltage at the output of the potentiometer in the middle position of the slider is zero, and in the two extreme positions it is maximum, but the phase shift is 180 °.

Предлагаемый способ измерения АЧХ основан на электростатическом взаимодействии между подвижной (фиг.1 поз.8) и неподвижными обкладками (фиг.1 поз.6, 7) ЧЭ, образующих дифференциальный конденсатор переменной емкости. На неподвижные обкладки этого конденсатора подаются гармонические сигналы U1 и U2 частоты w с постоянной составляющей U0 (фиг.2-А и 2-Б соответственно), а на подвижном электроде поддерживается нулевое напряжение:The proposed method for measuring the frequency response is based on the electrostatic interaction between the movable (Fig. 1, pos. 8) and fixed plates (Fig. 1, pos. 6, 7) of the CE, forming a differential capacitor of variable capacitance. Harmonic signals U 1 and U 2 of frequency w with a constant component U 0 (FIGS. 2-A and 2-B, respectively) are fed to the fixed plates of this capacitor, and a zero voltage is maintained on the moving electrode:

U1=U0+Uг·sin(wt),U 1 = U 0 + U g sin (wt),

U2=U0-Uг·sin(wt), гдеU 2 = U 0 -U g sin (wt), where

напряжение U0 соответствует напряжению в точке поз.2 фиг.1;voltage U 0 corresponds to the voltage at the point pos.2 of figure 1;

напряжение U1 соответствует напряжению в точке поз.4 фиг.1;voltage U 1 corresponds to the voltage at the point 4 of figure 1;

напряжение U2 соответствует напряжению в точке поз.5 фиг.1.voltage U 2 corresponds to the voltage at the point 5 of FIG. 1.

Значение постоянной составляющей U0 должно быть не менее амплитуды Uг гармонической составляющей U0≥UГ, таким образом задается условие U1, U2≥0.The value of the constant component U 0 must be not less than the amplitude U g of the harmonic component U 0 ≥U G , thus setting the condition U 1 , U 2 ≥0.

Результирующая переменная составляющая за счет силы кулоновского взаимодействия между подвижным и двумя неподвижными электродами приведена на фиг.2в, за счет воздействия которой происходит колебание подвижного электрода ЧЭ.The resulting variable component due to the force of the Coulomb interaction between the movable and two stationary electrodes is shown in Fig.2c, due to the influence of which the movable electrode of the SE oscillates.

В случае отсутствия напряжения на обкладках конденсаторов (устройство выключено) электрические емкости конденсаторов С1, С2 равны:In the absence of voltage on the capacitor plates (the device is turned off), the electric capacitance of capacitors C 1 , C 2 are equal to:

C1=Co+ΔCC 1 = C o + ΔC

C2=Co-ΔСC 2 = C o -ΔC

Отклонение ΔС значения емкостей от величины Со может являться результатом как технологического разброса, так и результатом воздействия силы тяжести Земли. Причем величина ΔС достигает значения 0,1Со вследствие технологического разброса. Воздействие силы тяжести может вызвать еще большее отклонение в зависимости от чувствительности ММУ.The deviation ΔС of the capacitance value from the value of C о can be the result of both technological variation and the effect of the Earth's gravity. Moreover, the value of ΔC reaches a value of 0.1C about due to technological variation. The effect of gravity can cause an even greater deviation, depending on the sensitivity of the MMU.

При подаче рабочих напряжений отклонение подвижной обкладки пропорционально приложенной силе и обратно пропорционально жесткости торсионов.When operating voltage is applied, the deflection of the movable plate is proportional to the applied force and inversely proportional to the torsion stiffness.

В общем случае электрическая емкость конденсаторов С1, С2, образуемых обкладками ЧЭ и общим электродом, выражается следующим образом:In the General case, the electric capacitance of the capacitors C 1 , C 2 formed by the plates of the SE and the common electrode is expressed as follows:

C1=(Co+ΔC)·(1+Aмех·sin(wt)),C 1 = (C o + ΔC) · (1 + A mech · sin (wt)),

C2=(Co-ΔC)·(1-Aмех·sin(wt)),C 2 = (C o -ΔC) · (1-A mech · sin (wt)),

электрическая емкость С1 образована обкладками поз.6 и поз.8 фиг.1;the electric capacitance C 1 is formed by the plates of pos.6 and pos.8 of figure 1;

электрическая емкость С2 образована обкладками поз.7 и поз.8 фиг.1;the electric capacitance C 2 is formed by the plates of pos.7 and pos.8 of figure 1;

изменение емкостей С1, С2 представлено на фиг.2г и 2д, соответственно.the change in capacitances C 1 , C 2 is shown in FIGS. 2d and 2e, respectively.

Коэффициент Амех зависит от амплитуды Uг и амплитуды механических колебаний подвижного элемента ММУ, а Со - электрическая емкость конденсаторов в отсутствие асимметрии, когда С12о.Coefficient A mech depends on the amplitude U g and the amplitude of the mechanical vibrations of the movable element MMU, and With about the electrical capacitance of the capacitors in the absence of asymmetry, when C 1 = C 2 = C about .

Коэффициент передачи зарядо-чувствительного усилителя (образованного резистором поз.11, конденсатором поз.10, операционным усилителем поз.12 фиг.1) для сигнала U1 вычисляется следующим образомThe transfer coefficient of the charge-sensitive amplifier (formed by the resistor pos.11, capacitor pos.10, operational amplifier pos.12 of figure 1) for the signal U 1 is calculated as follows

К п е р = U в ы х U 1 = X C o o X C 1 = ( 1 j w C o c ) ÷ ( 1 j w C 1 ) = C 1 C o c

Figure 00000001
, где Uвых - напряжение на выходе зарядо-чувствительного усилителя. TO P e R = U at s x U one = X C o o X C one = ( one j w C o c ) ÷ ( one j w C one ) = C one C o c
Figure 00000001
where U o - voltage at the output of the charge-sensitive amplifier.

Значения Rос (омическое сопротивление резистора поз.11 фиг.1) и Сос (электрическая емкость конденсатора поз.10 фиг.1) выбираются таким образом, чтобы Rос в рабочем диапазоне частот было намного больше реактивного сопротивления ХСос емкости Сос.The values of R a (the ohmic resistance of the resistor 1, item 11) and the C axes (electric capacity of the condenser 1, item 10) are chosen such that R os in the operating range of frequencies was much more reactance X Sos capacitance C a.

Напряжение U1 создает на выходе зарядо-чувствительного усилителя сигнал:The voltage U 1 generates a signal at the output of the charge-sensitive amplifier:

U в ы х 1 = U 1 К п е р = U 1 C 1 C o c = U 1 ( C o + Δ C ) ( 1 + A м е х sin ( w t ) ) C o c = U 1 C o C o c ( 1 + A м е х sin ( w t ) ) + U 1 Δ C C o c ( 1 + A м е х sin ( w t ) ) = k ( U o + U г sin ( w t ) ) ( 1 + A м е х sin ( w t ) ) + k 1 ( U o + U г sin ( w t ) ) ( 1 + A м е х sin ( w t ) )

Figure 00000002
U at s x one = U one TO P e R = U one C one C o c = U one ( C o + Δ C ) ( one + A m e x sin ( w t ) ) C o c = U one C o C o c ( one + A m e x sin ( w t ) ) + U one Δ C C o c ( one + A m e x sin ( w t ) ) = k ( U o + U g sin ( w t ) ) ( one + A m e x sin ( w t ) ) + k one ( U o + U g sin ( w t ) ) ( one + A m e x sin ( w t ) )
Figure 00000002

где k = C o C o c

Figure 00000003
, k 1 = Δ C C o c
Figure 00000004
.Where k = C o C o c
Figure 00000003
, k one = Δ C C o c
Figure 00000004
.

В силу симметрии напряжение U2 создает на выходе усилителя сигналDue to symmetry, the voltage U 2 creates a signal at the output of the amplifier

U в ы х 2 = U 2 К п е р = U 2 C 2 C o c = U 2 ( C o Δ C ) ( 1 A м е х sin ( w t ) ) C o c = U 2 C o C o c ( 1 A м е х sin ( w t ) ) U 2 Δ C C o c ( 1 A м е х sin ( w t ) ) = k ( U o U г sin ( w t ) ) ( 1 A м е х sin ( w t ) ) k 1 ( U o U г sin ( w t ) ) ( 1 A м е х sin ( w t ) )

Figure 00000005
U at s x 2 = U 2 TO P e R = U 2 C 2 C o c = U 2 ( C o - Δ C ) ( one - A m e x sin ( w t ) ) C o c = U 2 C o C o c ( one - A m e x sin ( w t ) ) - U 2 Δ C C o c ( one - A m e x sin ( w t ) ) = k ( U o - U g sin ( w t ) ) ( one - A m e x sin ( w t ) ) - k one ( U o - U g sin ( w t ) ) ( one - A m e x sin ( w t ) )
Figure 00000005

Считая, что ползунок потенциометра 16 находится в среднем положении, и переменное напряжение на нем равно нулю, и с учетом принципа суперпозиции, получим:Assuming that the slider of the potentiometer 16 is in the middle position, and the alternating voltage on it is zero, and taking into account the principle of superposition, we get:

Uвых= Uвых1+Uвых2=U o out = U o out1 + U o out2 =

k(Uo+Uг·sin(wt))·(1+Aмех·sin(wt))+k1(Uo+Uг·sin(wt))·(1+Aмех·sin(wt))+k (U o + U g · sin (wt)) · (1 + A mech · sin (wt)) + k 1 (U o + U g · sin (wt)) · (1 + A mech · sin (wt )) +

k(Uo-Uг·sin(wt))·(1-Aмех·sin(wt))-k1(Uo-Uг·sin(wt))·(1-Aмех·sin(wt))k (U o -U g · sin (wt)) · (1-A mech · sin (wt)) - k 1 (U o -U g · sin (wt)) · (1-A mech · sin (wt )))

После преобразования с учетом того, что 1-2sin2(wt)=cos(2wt), получим окончательное выражение для Uвых:After the conversion, taking into account the fact that 1-2sin 2 (wt) = cos (2wt), we get the final expression for U o :

Uвых=2kUo+kUГАмех-kUГAмех·cos(2wt)+2k1(UoAмех+UГ)·sin(wt)U O = 2kU o + kU G A T A fur -kU fur · cos (2wt) + 2k 1 (U o + U A fur T) · sin (wt)

Напряжение Uвых соответствует напряжению в точке поз.13 фиг.1 Амплитуда второй гармоники выходного сигнала зависит от коэффициентов k, UГ, Aмех. Величины k, UГ - постоянные, это означает, что на амплитуду второй гармоники выходного сигнала влияет коэффициент Амех, характеризующий амплитуду механических колебаний подвижного элемента ММУ. Анализ амплитуды второй гармоники с помощью анализатора спектра (поз.14 фиг.1) при изменении частоты на задающем генераторе (поз.1 фиг.1) реализует поставленную задачу - измерение АЧХ подвижного элемента ММУ.The voltage U o corresponds to the voltage at point 13 of FIG. 1. The amplitude of the second harmonic of the output signal depends on the coefficients k, U G , A mech . The values of k, U Г are constant, this means that the amplitude A of the mech , which characterizes the amplitude of the mechanical vibrations of the moving element of the IMC, affects the amplitude of the second harmonic of the output signal. The analysis of the amplitude of the second harmonic using a spectrum analyzer (pos. 14 of Fig. 1) when the frequency changes on the master oscillator (pos. 1 of Fig. 1) implements the task - measuring the frequency response of the moving element of the MMU.

Рассмотрим соотношение амплитуд первой и второй гармоник в выходном сигнале. Амплитуды первой и второй гармоник UA1 и UA2 соответственно равны:Consider the ratio of the amplitudes of the first and second harmonics in the output signal. The amplitudes of the first and second harmonics U A1 and U A2 are respectively equal:

U A 1 = 2 Δ C C o c ( U o A м е х + U Г )

Figure 00000006
, при условии UГ>>UoAмех получим U A 1 2 Δ C C o c U Г
Figure 00000007
U A one = 2 Δ C C o c ( U o A m e x + U G )
Figure 00000006
, under the condition U Г >> U o A fur we get U A one 2 Δ C C o c U G
Figure 00000007

U A 2 = 2 C o C o c U 2 A м е х

Figure 00000008
U A 2 = 2 C o C o c U 2 A m e x
Figure 00000008

Запишем отношение амплитуд UA1 и UA2:We write the ratio of the amplitudes U A1 and U A2 :

U A 1 U A 2 = 2 U 2 Δ C C o c C o c 2 C o U 2 A м е х = 2 Δ C C o A м е х

Figure 00000009
U A one U A 2 = 2 U 2 Δ C C o c C o c 2 C o U 2 A m e x = 2 Δ C C o A m e x
Figure 00000009

Как было сказано ранее, величина ΔС может достигать значения 0,1Со, а коэффициент Амех приблизительно равен 0,02. Таким образом, амплитуда первой гармоники превышает амплитуду второй измеряемой гармоники в 10 раз. Причем для ММУ с жестким подвесом величина данного отношения может увеличиться примерно на два порядка.As mentioned earlier, the value of ΔC can reach 0.1C about , and the coefficient A fur is approximately 0.02. Thus, the amplitude of the first harmonic exceeds the amplitude of the second measured harmonic by 10 times. Moreover, for MMU with a rigid suspension, the value of this ratio can increase by about two orders of magnitude.

При таких больших отношениях величины паразитной гармоники к измеряемой начинает сказываться нелинейность зарядо-чувствительного усилителя, понижая тем самым точность измерения и ограничивая функциональные возможности данного способа. Кроме того, для реализации способа требуется дорогостоящее оборудование.With such large ratios of the spurious harmonic to the measured one, the nonlinearity of the charge-sensitive amplifier begins to affect, thereby reducing the measurement accuracy and limiting the functionality of this method. In addition, the implementation of the method requires expensive equipment.

Амплитуда первой гармоники в выходном сигнале может быть значительно уменьшена благодаря наличию компенсатора и его настройки. Измеряя амплитуду первой гармоники в выходном напряжении, мы меняем положение ползунка потенциометра 16 таким образом, чтобы в выходном напряжении минимизировать амплитуду первой гармоники, вплоть до нулевого значения, приводя, тем самым, к повышению точности и расширению функциональных возможностей способа.The amplitude of the first harmonic in the output signal can be significantly reduced due to the presence of a compensator and its adjustment. By measuring the amplitude of the first harmonic in the output voltage, we change the position of the slider of the potentiometer 16 in such a way as to minimize the amplitude of the first harmonic in the output voltage, up to zero, thereby increasing the accuracy and expanding the functionality of the method.

Для реализации данного способа на практике было собрано измерительное устройство. Селективный вольтметр и задающий генератор были реализованы на базе микросхемы МАХ7490, представляющей собой двухканальный универсальный фильтр на переключаемых конденсаторах. Причем стоимость микросхемы не превышала 150 рублей.To implement this method in practice, a measuring device was assembled. The selective voltmeter and the master oscillator were implemented on the basis of the MAX7490 microcircuit, which is a two-channel universal filter on switched capacitors. Moreover, the cost of the chip did not exceed 150 rubles.

Экспериментальная проверка показала, что первая гармоника в выходном сигнале уменьшалась на 47 дБ (примерно в 200 раз). Неполное подавление обусловлено влиянием активного сопротивления потенциометра на фазовый сдвиг в цепи компенсатора. При необходимости его можно уменьшить, усложнив устройство компенсатора с помощью развязывающего усилителя (повторитель напряжения). Хотя в нашем случае для всех практических задач данное усложнение не потребовалось.An experimental check showed that the first harmonic in the output signal decreased by 47 dB (about 200 times). Incomplete suppression is due to the influence of the active resistance of the potentiometer on the phase shift in the compensator circuit. If necessary, it can be reduced by complicating the compensator device using a decoupling amplifier (voltage follower). Although in our case, for all practical tasks, this complication was not required.

ЛЧХ измерялись, как с использованием дорогостоящего анализатора спектра СК4-56, так и перестраиваемого активного фильтра на базе МАХ7490. Отклонения результатов были в пределах погрешности измерения.LFs were measured both using an expensive SK4-56 spectrum analyzer and a tunable active filter based on MAX7490. Deviations of the results were within the measurement error.

Экспериментальная проверка полностью подтвердила ожидаемые результаты.The experimental verification fully confirmed the expected results.

Источники информацииInformation sources

1. Патент СССР 18398351. USSR patent 1839835

2. Патент РФ 22442712. RF patent 2244271

3. Патент РФ 2377508 - прототип3. RF patent 2377508 - prototype

Claims (1)

Способ измерения амплитудно-частотных характеристик чувствительных элементов микромеханических устройств, содержащих подвижный элемент, являющийся общей обкладкой дифференциального конденсатора переменной емкости, заключающийся в формировании на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей и установке на подвижной обкладке постоянного смещения, равного нулю, при этом амплитудно-частотная характеристика микромеханического устройства вычисляется отношением второй гармоники выходного напряжения к первой гармонике сигнала, сформированного на обкладках конденсатора, отличающийся тем, что из гармонических сигналов на неподвижных обкладках конденсатора формируют компенсационный ток, находящийся в противофазе, но равный по амплитуде первой гармонике суммы токов, протекающих через конденсаторы, и производят преобразование суммы компенсационного заряда и зарядов, протекающих через конденсаторы, в пропорционально-зависимое выходное напряжение, причем формирование компенсационного тока проводят итерацией - в начале компенсационный ток устанавливают равным нулю и измеряют в выходном напряжении амплитуду первой гармоники, далее компенсационный ток увеличивают, при уменьшении амплитуды первой гармоники в выходном сигнале компенсационный ток увеличивают до тех пор, пока амплитуда первой гармоники не станет минимальной, а при увеличении амплитуды первой гармоники в выходном сигнале изменяют фазу компенсационного тока на 180°, при этом амплитуда первой гармоники в выходном сигнале уменьшится, и амплитуду компенсационного тока увеличивают до тех пор, пока амплитуда первой гармоники не станет минимальной; при этом в процессе выполнения итерации учитывается, что дальнейшее увеличение амплитуды компенсационного тока после достижения минимального значения амплитуды первой гармоники выходного сигнала приведет к ее увеличению. A method for measuring the amplitude-frequency characteristics of sensitive elements of micromechanical devices containing a movable element, which is a common lining of a differential capacitor of variable capacitance, which consists in forming harmonic signals with a constant component on the fixed plates of the capacitor and installing a constant bias of zero on the moving lining, the frequency response of the micromechanical device is calculated by the ratio of the second harmonic of the output voltage pressure to the first harmonic of the signal formed on the capacitor plates, characterized in that the compensation current, which is in antiphase but equal in amplitude to the first harmonic of the sum of the currents flowing through the capacitors, is formed from harmonic signals on the fixed capacitor plates and the compensation charge is converted and charges flowing through the capacitors into a proportionally dependent output voltage, and the formation of the compensation current is carried out by iteration - at the beginning of The current current is set equal to zero and the amplitude of the first harmonic is measured in the output voltage, then the compensation current is increased, when the amplitude of the first harmonic decreases in the output signal, the compensation current is increased until the amplitude of the first harmonic becomes minimal, and when the amplitude of the first harmonic is increased in the output the signal changes the phase of the compensation current by 180 °, while the amplitude of the first harmonic in the output signal decreases, and the amplitude of the compensation current is increased until the amplitude the first harmonic there will not be minimal; at the same time, during the iteration, it is taken into account that a further increase in the amplitude of the compensation current after reaching the minimum amplitude of the first harmonic of the output signal will lead to its increase.
RU2011152066/28A 2011-12-21 2011-12-21 Method of measuring amplitude-frequency characteristics of movable elements of micromechanical devices RU2488785C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011152066/28A RU2488785C1 (en) 2011-12-21 2011-12-21 Method of measuring amplitude-frequency characteristics of movable elements of micromechanical devices

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011152066/28A RU2488785C1 (en) 2011-12-21 2011-12-21 Method of measuring amplitude-frequency characteristics of movable elements of micromechanical devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011152066A RU2011152066A (en) 2013-06-27
RU2488785C1 true RU2488785C1 (en) 2013-07-27

Family

ID=48701089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011152066/28A RU2488785C1 (en) 2011-12-21 2011-12-21 Method of measuring amplitude-frequency characteristics of movable elements of micromechanical devices

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2488785C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3992951A (en) * 1975-05-12 1976-11-23 Sperry Rand Corporation Compensated toroidal accelerometer
SU1645906A1 (en) * 1988-12-07 1991-04-30 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Capacitive accelerometer
RU2140652C1 (en) * 1998-04-06 1999-10-27 Акционерное общество Раменское приборостроительное конструкторское бюро Compensation accelerometer
RU2244271C1 (en) * 2003-05-13 2005-01-10 ФГУП Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method for controlling quality of manufacture of micro-mechanical devices
US6988408B2 (en) * 2000-07-13 2006-01-24 Dong-Il Cho Surface/bulk micromachined single-crystalline silicon micro-gyroscope
RU2377508C1 (en) * 2008-10-03 2009-12-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) Method of measurement of amplitude-frequency characteristics of mobile elements of micro-mechanic systems

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3992951A (en) * 1975-05-12 1976-11-23 Sperry Rand Corporation Compensated toroidal accelerometer
SU1645906A1 (en) * 1988-12-07 1991-04-30 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Capacitive accelerometer
RU2140652C1 (en) * 1998-04-06 1999-10-27 Акционерное общество Раменское приборостроительное конструкторское бюро Compensation accelerometer
US6988408B2 (en) * 2000-07-13 2006-01-24 Dong-Il Cho Surface/bulk micromachined single-crystalline silicon micro-gyroscope
RU2244271C1 (en) * 2003-05-13 2005-01-10 ФГУП Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method for controlling quality of manufacture of micro-mechanical devices
RU2377508C1 (en) * 2008-10-03 2009-12-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) Method of measurement of amplitude-frequency characteristics of mobile elements of micro-mechanic systems

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011152066A (en) 2013-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6088521B2 (en) Increasing the linearity of capacitive transducers by performing automatic calibration using on-chip neutralization capacitors and linear actuation
Peng et al. A sensitivity tunable accelerometer based on series-parallel electromechanically coupled resonators using mode localization
KR101297654B1 (en) Temperature compensation method and temperature and oscillation control loop system of parallel plate electrode type resonance sensor
US8816703B2 (en) Linear capacitance-to-voltage converter using a single amplifier for accelerometer front ends with cancellation of spurious forces contributed by sensor circuitry
US10900994B2 (en) Accelerometer control
US20080170742A1 (en) Apparatus and method using capacitive detection with inherent self-calibration
EP2762894B1 (en) Acceleration sensor circuit
US20130233077A1 (en) Electrostatic force generator and force measurement system and accelerometer having the same
US9411000B2 (en) Method and system for measuring capacitance difference between capacitive elements
WO2015198075A1 (en) Accelerometers
JP2009097932A (en) Capacitive detector
Grigorie The Matlab/Simulink modeling and numerical simulation of an analogue capacitive micro-accelerometer. Part 1: Open loop
Pandit et al. Reduction of amplitude ratio dependence on drive level in mode localized resonant MEMS sensors
RU2488785C1 (en) Method of measuring amplitude-frequency characteristics of movable elements of micromechanical devices
RU2566655C1 (en) Measurement of apparent acceleration and piezoelectric accelerometer to this end
RU2377508C1 (en) Method of measurement of amplitude-frequency characteristics of mobile elements of micro-mechanic systems
US10763817B2 (en) Characterization and driving method based on the second harmonic, which is enhancing the quality factor and reducing the feedthrough current in varying gap electrostatic MEMS resonators
Bounouh et al. Resonant frequency characterization of MEMS based energy harvesters by harmonic sampling analysis method
EP3001211B1 (en) Resonant magnetic field sensor
Krishna et al. A Closed-loop CMOS Interface for±1g MEMS Capacitive Accelerometer
Bounouh et al. Development of electromechanical architectures for ac voltage metrology
Mol et al. Read-out calibration of a SOI capacitive transducer using the pull-in voltage
Min Frequency Response Analysis of Electrostatic Microactuators
Chen et al. Dependence of error sensitivity of frequency on bias voltage in force-balanced micro accelerometer
JP2010019779A (en) Physical quantity detecting sensor, physical quantity detecting device, and servo controlling circuit

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171222