RU2713964C1 - Direct displacement converter for micromechanical devices (displacement sensor) - Google Patents
Direct displacement converter for micromechanical devices (displacement sensor) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2713964C1 RU2713964C1 RU2019121463A RU2019121463A RU2713964C1 RU 2713964 C1 RU2713964 C1 RU 2713964C1 RU 2019121463 A RU2019121463 A RU 2019121463A RU 2019121463 A RU2019121463 A RU 2019121463A RU 2713964 C1 RU2713964 C1 RU 2713964C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- force
- probe
- substrate
- housing
- displacement
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения, в частности, к датчикам перемещений и предназначено для применения в приборах, измеряющих малые ускорения и скорости вращения - акселерометрах и гироскопах.The invention relates to the field of instrumentation, in particular, to displacement sensors and is intended for use in devices measuring small accelerations and rotational speeds - accelerometers and gyroscopes.
Известны микромеханические приборы [1, стр. 165-174], в которых в качестве прямых преобразователей перемещений в электрический сигнал (датчиков перемещений) использованы конденсаторы, МДП транзисторы, тензодатчики, магниторезистивные датчики, датчики на поверхностно-акустических волнах, струны, оптоволоконные датчики и т.д.Micromechanical devices are known [1, pp. 165-174], in which capacitors, MIS transistors, strain gauges, magnetoresistive sensors, sensors on surface-acoustic waves, strings, fiber-optic sensors and etc.
В настоящее время чаще всего используются емкостные датчики [2], представляющие собой сложную гребенчатую структуру. Недостатками таких датчиков является относительно большие габариты, наличие силовых тяжений и возможность прилипания обкладок.Currently, capacitive sensors [2], which are a complex comb structure, are most often used. The disadvantages of such sensors are relatively large dimensions, the presence of power strains and the possibility of adhesion of the plates.
Этими недостатками не обладает пьезоэлектрический датчик [3]. Однако у него малая чувствительность.These shortcomings do not have a piezoelectric sensor [3]. However, he has low sensitivity.
Наивысшую чувствительность имеет оптический датчик [1, стр. 170], чувствительность которого оценивается половиной длины волны света The highest sensitivity has an optical sensor [1, p. 170], the sensitivity of which is estimated at half the wavelength of light
Повышение чувствительности приборов возможно двумя способами: увеличением перемещения под действием малой силы и увеличением чувствительности преобразователя перемещения в электрический сигнал. Для увеличения диапазона перемещений пробного тела под действием малых сил стремятся улучшить качество подвеса: строят подвесы с низкой жесткостью или резонансные системы с высокой добротностью. Эти направления противоречат друг другу и их выполнение ограничено старением материалов, влиянием температуры, механическими перегрузками, акустическими внешними воздействиями, технологическими трудностями и т.д. Повышение чувствительность известных датчиков в основном ограничено габаритами микромеханического прибора.Increasing the sensitivity of devices is possible in two ways: by increasing displacement under the action of a small force and by increasing the sensitivity of the transducer of displacement into an electrical signal. To increase the range of displacements of the test body under the action of small forces, they strive to improve the quality of the suspension: they build suspensions with low stiffness or resonant systems with high quality factor. These directions contradict each other and their implementation is limited by the aging of materials, the influence of temperature, mechanical overloads, acoustic external influences, technological difficulties, etc. Increasing the sensitivity of known sensors is mainly limited by the dimensions of the micromechanical device.
В качестве наиболее чувствительного датчика в допустимых габаритах можно взять туннельный микроскоп [4].As the most sensitive sensor in acceptable dimensions, you can take a tunneling microscope [4].
Задачей изобретения является улучшение характеристик микромеханических приборов путем повышения чувствительности прямого преобразователя (датчика) перемещений.The objective of the invention is to improve the characteristics of micromechanical devices by increasing the sensitivity of the direct transducer (sensor) movements.
Это достигается тем, что подвижная части датчика перемещений выполнена с возможностью движения в корпусе по направлению действия силы. На корпусе и подвижной части установлены зонд и подложка основного туннельного микроскопа, причем один из этих элементов размещен на каретке, выполненной с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной направлению действия силы. Для стабилизации в этой плоскости относительного положения зонда и подложки основного туннельного микроскопа введены дополнительные туннельные микроскопы управления кареткой.This is achieved by the fact that the movable part of the displacement sensor is configured to move in the housing in the direction of the force. A probe and a substrate for the main tunneling microscope are mounted on the housing and the movable part, one of these elements being placed on a carriage that can move in a plane perpendicular to the direction of the force. To stabilize the relative position of the probe and the substrate of the main tunneling microscope in this plane, additional tunneling microscopes for controlling the carriage are introduced.
Технический результат заключается в повышении чувствительности микромеханических приборов и уменьшении их габаритов.The technical result consists in increasing the sensitivity of micromechanical devices and reducing their size.
Устройство датчика перемещений и микромеханического прибора приведено на Фиг. 1. На ней изображены следующие элементы:The device of the displacement sensor and micromechanical device is shown in FIG. 1. It shows the following elements:
1 - микромеханический прибор,1 - micromechanical device
2 - корпус микромеханического прибора,2 - housing micromechanical device
3 - датчик перемещений для преобразования перемещений в электрический сигнал,3 - displacement sensor for converting displacements into an electrical signal,
4 - пробное тело для преобразования ускорения в силу,4 - test body for converting acceleration into force,
5 - подвес пробного тела,5 - suspension of the test body,
6 - исполнительное устройство для преобразования электрического сигнала в силу,6 - actuating device for converting an electrical signal into a force,
7 - корпус датчика перемещений,7 - housing of the displacement sensor,
8 - подвижная часть датчика перемещений,8 - moving part of the displacement sensor,
9 - подвес подвижной части датчика перемещений,9 - suspension of the moving part of the displacement sensor,
10, 11, 12 - зонды туннельных микроскопов,10, 11, 12 - probes of tunneling microscopes,
13, 14, 15 - подложки туннельных микроскопов,13, 14, 15 - the substrate of the tunneling microscopes,
16 - каретка,16 - carriage
17, 18 - пьезоэлектрические актюаторы каретки,17, 18 - piezoelectric actuators of the carriage,
19, 20 - усилители следящих систем управления кареткой,19, 20 - amplifiers tracking control systems of the carriage,
21 - усилитель исполнительного устройства,21 - amplifier actuator,
F, - сила и ее измеренное значение.F - force and its measured value.
Микромеханический прибор 1 содержит корпус 2, в котором расположены: датчик перемещений 3, пробное тело 4 в подвесе 5 и исполнительное устройство 6. В корпусе 7 датчика перемещений установлена подвижная часть 8 в подвесе 9. Подвижная часть может перемещаться в направлении действия силы F. Положение подвижной части относительно корпуса датчика перемещений измеряется с помощью туннельных микроскопов [4] с зондами 10, 11, 12 и подложками 13, 14, 15, причем с помощью основного микроскопа, содержащего зонд 10 и подложку 13, измеряется смещение в направлении действия силы. Зонда 10 установлен на каретке 16, выполненной с возможностью движения в плоскости, перпендикулярной направлению действия полезной силы. Положение каретки регулируется пьезоэлектрическими актюаторами 17, 18, управляемыми через усилители 19, 20. Управление исполнительным устройством [6] 6 осуществляется через усилитель 21. С этого же усилителя снимается информация с оценкой действующей силы.The
Ускорения, возникающие при движении объекта с установленным на нем микромеханическим прибором, приводят к появлению силы F, действующей на пробное тело 4. Под действием силы пробное тело смещает подвижную часть 8 датчика перемещений. Это смещение приводит к изменению туннельного тока между зондом 10 и подложкой 13, которое усиливается на усилителе 21 и подается в виде управляющего сигнала на исполнительное устройство 6. Исполнительное устройство создает силу компенсирующую действие силы F, приложенной к пробному телу.The accelerations arising from the movement of an object with a micromechanical device installed on it lead to the appearance of a force F acting on the
В процессе эксплуатации в результате неравномерного старения материала, температурной деформации, искажения формы деталей при перегрузках и т.д. взаимное положение зонда 10 и подложки 13 изменяется в направлениях перпендикулярных действию силы. В туннельном микроскопе «поток электронов «стекает с крайнего атома на кончике иглы, образуя пучок электронов диаметром порядка 4*10-10 м» [4] и попадает на мишень подложки такого же диаметра. Чтобы не допустить сдвига пучка с мишени, необходтмо сохранять с этой точностью положение зонда 10 относительно подложки 14 в направлениях перпендикулярном потоку электронов независимо от дестабилизирующих факторов.During operation, as a result of uneven aging of the material, temperature deformation, distortion of the shape of parts during overloads, etc. the relative position of the
Туннельный микроскоп [4] преобразует перемещения порядка в электрический ток I, экспоненциально зависящий от расстоянияA tunneling microscope [4] transforms order displacements into an electric current I, exponentially dependent on the distance
I=I0e-2L,I = I 0 e -2L ,
где I0 - начальный ток.where I 0 is the initial current.
Относительное изменение тока δI в зависимости от абсолютного изменения зазора определится формулойRelative change in current δI depending on the absolute change in the gap defined by the formula
δI=e-2ΔL δI = e -2ΔL
Точность удержания зазора в туннельном микроскопе можно определить из предположения, что для срабатывания электроники достаточно изменения тока на 5% (δI=1,05). В этом случае чувствительность соответствует изменению зазора на величинуThe accuracy of the gap retention in the tunneling microscope can be determined from the assumption that a 5% change in current (δI = 1.05) is enough for the electronics to operate. In this case, the sensitivity corresponds to a change in the gap by
Такая чувствительность позволяет решить задачу сохранения взаимного положения зонда 10 и подложки 13 в направлениях, перпендикулярных действию силы, путем регулирования положения каретки актюаторами 17, 18.This sensitivity allows us to solve the problem of maintaining the relative position of the
Так как микромеханические приборы чаще всего изготавливаются из кремния, то при оценке чувствительности датчика к силе будем считать, что подвижная часть фиксируется в корпусе с помощью мембраны из кремния толщиной h=0,01 мм=10-5 м, радиусом R=5 мм=5*10-3 м.Since micromechanical devices are most often made of silicon, when assessing the sensitivity of the sensor to force, we assume that the movable part is fixed in the housing using a silicon membrane with a thickness h = 0.01 mm = 10 -5 m, radius R = 5 mm = 5 * 10 -3 m.
Прогиб L мембраны, нагруженной в центре и закрепленной по окружности определяется формулами [5]The deflection L of the membrane loaded in the center and fixed around the circumference is determined by the formulas [5]
Где Р [Н] - нагрузка в центре пластины,Where P [N] is the load in the center of the plate,
h [м] - толщина пластиныh [m] - plate thickness
Е - модуль упругости, для кремния Е=2*1010 [Па],E is the modulus of elasticity, for silicon E = 2 * 10 10 [Pa],
μ=0,28 - коэффициент Пуассонаμ = 0.28 - Poisson's ratio
Формулу для прогиба пластины можно переписать в видеThe formula for the deflection of the plate can be rewritten as
Чувствительность датчика к силе определится выражениемThe sensitivity of the sensor to force is determined by the expression
Чувствительность прибора к ускорению определяется массой пробного тела по закону Ньютона. Если принять массу пробного тела m=1 г=0,001 кг, то чувствительность к ускорению а будет иметь величинуThe sensitivity of the device to acceleration is determined by the mass of the test body according to Newton's law. If we take the mass of the test body m = 1 g = 0.001 kg, then the sensitivity to acceleration a will have the value
Датчик с такой чувствительностью можно устанавливать в схемы акселерометров и гироскопов. Габариты датчика в рассмотренном примере определяются диаметром диафрагмы. Однако при реализации акселерометра или гироскопа можно выполнить конструкцию датчика без собственного подвеса. В этом случае, упругий элемент может быть единым для пробной массы и подвижной части датчика и принадлежать микромеханическому прибору, а габариты датчика перемещений определяются размерами зондов и подложек туннельных микроскопов и измеряются десятыми долями миллиметра. Возможен вариант совмещения пробной массы и подвижной части датчика перемещений.A sensor with such a sensitivity can be installed in accelerometer and gyroscope circuits. The dimensions of the sensor in the example considered are determined by the diameter of the diaphragm. However, when implementing an accelerometer or gyroscope, it is possible to carry out the design of the sensor without its own suspension. In this case, the elastic element can be the same for the test mass and the moving part of the sensor and belong to a micromechanical device, and the dimensions of the displacement sensor are determined by the sizes of the probes and substrates of the tunneling microscopes and are measured in tenths of a millimeter. A variant of combining the trial mass and the moving part of the displacement sensor is possible.
Технический эффект состоит в повышении чувствительности микромеханических приборов, уменьшении их габаритов и упрощении конструкции.The technical effect consists in increasing the sensitivity of micromechanical devices, reducing their dimensions and simplifying the design.
Источники информацииSources of information
1. Распопов В.Я. Микромеханические приборы, М. Машиностроение. 2007.1. Raspopov V.Ya. Micromechanical devices, M. Mechanical Engineering. 2007.
2. Микромеханический вибрационный гироскоп. Патент РФ №2296302 от 15.11.2005. Авторы Евстифеев М.И., Несенюк Л.П., Пешехонов В.Г., Унтилов А.А. Патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор".2. Micromechanical vibration gyroscope. RF patent No. 2296302 dated November 15, 2005. Authors Evstifeev M.I., Nesenyuk L.P., Peshekhonov V.G., Untilov A.A. Patent holder: Federal State Unitary Enterprise "Central Research Institute" Electrical Appliance ".
3. Пьезоэлектрический вибрационный гироскоп (варианты). Патент РФ №2426072 от 09.03.2010. Авторы: Маринушкин П.С, Левицкий А.А Патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ)3. Piezoelectric vibration gyroscope (options). RF patent No. 2426072 dated 03/09/2010. Authors: Marinushkin P.S., Levitsky A.A. Patentee: Siberian Federal University (SibFU)
4. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. РАН. Институт физики микроструктур. Нижний Новгород. 2004 г4. Mironov V.L. The basics of scanning probe microscopy. RAS. Institute of Physics of Microstructures. Nizhny Novgorod. 2004 g
5. Саргсян. Строительная механика П17-1 DOK. StudFiles.net>preview/3189876/page 25. Sargsyan. Building mechanics П17-1 DOK. StudFiles.net> preview / 3189876 /
6. Бобцов А.А., Бойков В.И., Быстрое С.В., Григорьев В.В. Исполнительные устройства и системы для микроперемещений. Санкт-Петербургский Государственный университет информационных технологий, механики и оптики. С-Пб, 2011.6. Bobtsov A.A., Boykov V.I., Bystroye S.V., Grigoryev V.V. Actuators and systems for micromotion. Saint-Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics. St. Petersburg, 2011.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019121463A RU2713964C1 (en) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | Direct displacement converter for micromechanical devices (displacement sensor) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019121463A RU2713964C1 (en) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | Direct displacement converter for micromechanical devices (displacement sensor) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2713964C1 true RU2713964C1 (en) | 2020-02-11 |
Family
ID=69625629
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019121463A RU2713964C1 (en) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | Direct displacement converter for micromechanical devices (displacement sensor) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2713964C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080295594A1 (en) * | 2007-03-22 | 2008-12-04 | Scintrex Limited | Method and apparatus for measurements of gravity in small diameter boreholes |
CN101769711A (en) * | 2010-01-26 | 2010-07-07 | 重庆理工大学 | Tunnel effect based contact type nanometer displacement sensor |
CN103018784A (en) * | 2012-11-28 | 2013-04-03 | 华中科技大学 | Simple-pendulum absolute gravimeter based on two-point fixed differential measurement |
RU2577550C1 (en) * | 2015-01-22 | 2016-03-20 | Анатолий Борисович Попов | Gravitation gradiometer with high intrinsic oscillation frequency |
CN109211079A (en) * | 2018-08-07 | 2019-01-15 | 哈尔滨工业大学 | Quantum tunneling and spherical surface scattered field composite principle method for sensing and device |
-
2019
- 2019-07-05 RU RU2019121463A patent/RU2713964C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20080295594A1 (en) * | 2007-03-22 | 2008-12-04 | Scintrex Limited | Method and apparatus for measurements of gravity in small diameter boreholes |
CN101769711A (en) * | 2010-01-26 | 2010-07-07 | 重庆理工大学 | Tunnel effect based contact type nanometer displacement sensor |
CN103018784A (en) * | 2012-11-28 | 2013-04-03 | 华中科技大学 | Simple-pendulum absolute gravimeter based on two-point fixed differential measurement |
RU2577550C1 (en) * | 2015-01-22 | 2016-03-20 | Анатолий Борисович Попов | Gravitation gradiometer with high intrinsic oscillation frequency |
CN109211079A (en) * | 2018-08-07 | 2019-01-15 | 哈尔滨工业大学 | Quantum tunneling and spherical surface scattered field composite principle method for sensing and device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7685869B2 (en) | Nanoindenter | |
KR101440450B1 (en) | Active damping of high speed scanning probe microscope components | |
US7288762B2 (en) | Fine-adjustment mechanism for scanning probe microscopy | |
US20080078240A1 (en) | Scanner for probe microscopy | |
US5009111A (en) | Differential force balance apparatus | |
Lee et al. | Positioning control effectiveness of optical knife edge displacement sensor-embedded monolithic precision stage | |
JP2009511893A (en) | Apparatus and method for measuring micromovements | |
US9535086B2 (en) | Interface of a microfabricated scanning force sensor for combined force and position sensing | |
US5563344A (en) | Dual element electron tunneling accelerometer | |
Chu et al. | Two-dimensional optical accelerometer based on commercial DVD pick-up head | |
RU2713964C1 (en) | Direct displacement converter for micromechanical devices (displacement sensor) | |
Chetwynd et al. | A controlled-force stylus displacement probe | |
WO1999045361A1 (en) | Nanotribological probe microscope | |
Zou et al. | Micro-electro-mechanical resonant tilt sensor with 250 nano-radian resolution | |
JP2005331446A (en) | Micro material tester | |
Blanvillain et al. | Subnanometer positioning and drift compensation with tunneling current | |
KR100971467B1 (en) | Device for varying stiffness of probe and electro-mechanical device using the same | |
Hu et al. | Investigation of a small force standard with the mass based method | |
Liu et al. | Robust controller design via/spl mu/-synthesis for high-performance micromachined tunneling accelerometers | |
Das et al. | Intelligent tracking control system for fast image scanning of atomic force microscopes | |
Sidobre et al. | Calibrated measurement of the behaviour of mechanical junctions from micrometre to subnanometre scale: the friction force scanner | |
JP2022528431A (en) | A device for measuring the force acting on an object | |
JP5912338B2 (en) | Force measuring device | |
Hu et al. | Research and development of small force standards at NIM | |
RU2705926C1 (en) | Complex for measurement of absolute value of gravitational acceleration on movable base |