Tóm tắt
Kỹ thuật vi máy silicon đã được sử dụng để chế tạo một gia tốc chính xác cao, micro-g. Hoạt động trong cấu hình vòng kín, gia tốc sử dụng cảm biến trường tĩnh điện và phản hồi lực tĩnh điện. Bộ cảm biến bao gồm một cụm ba chip silicon, liên kết với nhau bằng lát bán dẫn. Lớp trung tâm bao gồm (proof mass), lò xo và cấu kiện đỡ. Khắc điện hóa từ cả hai mặt của lát bán dẫn được sử dụng để tạo thành một cấu trúc đối xứng hai mặt giúp giảm thiểu độ nhạy trực giao và độ lệch sóng điều hòa. Các lò xo hỗ trợ khối lượng được tạo thành bằng hợp chất để có được (ứng suất gần bằng không trong khoảng nhiệt độ hoạt động).Hai nắp silicon bên ngoài tạo thành một khoang chứa và cung cấp các điện cực với khoảng cách chính xác cũng như lực bảo vệ.
(Cảm biến micromachined )được vận hành trong chân không để loại bỏ( none-linear vicous damping ) và cung cấp (mạch cộng hưởng cơ học bậc hai cao). (near critical damping) được cấu tạo bằng vòng lặp khép kín. Hệ thống điều khiển là (highly over-sample sigma-delta modulator) tạo ra dải động rộng và đầu ra kỹ thuật số trực tiếp. (the second-order spring-mass system) tạo ra sự thống nhất cho (bộ điều biến sigma-delta). Hình thành nhiễu của bộ điều biến cho phép phạm vi dy¬namic từ vi g đến g-range, đồng thời tạo ra méo hài cực thấp. Đầu ra một bit được giải mã bằng bộ lọc kỹ thuật số hai tầng 8.000 cổng, được thiết kế riêng cho gia tốc kế và chế tạo bằng công nghệ CMOS 1,5 micron.
Bài báo sẽ mô tả chip cảm biến 3,5 x 4,0 mm vi ba, bộ điều biến sigma-delta "đầu vào tăng tốc đầu ra kỹ thuật số" và phân tích phần tử hữu hạn của cấu trúc cơ học. Hiệu suất thu được từ các đơn vị nguyên mẫu sẽ được trình bày
GIỚI THIỆU
Thiết kế của một gia tốc kế micro-g với kích cỡ đầu vào là 0,1 g, dải động 120 dB và độ lệch sóng điều hòa nhỏ hơn 0,1%, yêu cầu phương pháp thiết kế khác nhau. Để đạt được dải động 120 dB, một đầu ra số phỉa đạt yêu cầu. Ban đầu không thử chuyển đổi đầu ra của một gia tốc điện dung sang tần số tương tự, và sau đó chuyển đổi tần số thành tín hiệu số, không mang lại kết quả đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật trên. Các cảm biến điện dung, khi hoạt động ở áp suất khi quyển với các khoảng trống hẹp yêu cầu, có giảm nhớt phi tuyến tính, giảm xóc và các vấn đề về lực tĩnh điện. Để giải quyết các vấn đề giảm xóc, một cảm biến hoạt động trong chân không được xem xét và cuối cùng được lựa chọn. Hoạt động của cảm biến trong chân không dẫn đến đỉnh cộng hưởng Q cao, tạo ra nhiều vấn đề. Tất cả các nỗ lực làm giảm cảm biến thụ động mà không biến dạng hay đứt gãy. Sau đó, (the high Q second-or¬der spring-mass system) được thay thế cho chức năng truyền lệnh thứ hai được yêu cầu trong hệ thống phản hồi thứ hai. Các lực tĩnh điện trên khối lượng, chứ không phải là một vấn đề, được sử dụng như là lực phản hồi. Thay vì điện dung, cảm biến được thực hiện bằng cảm biến trường tĩnh điện. Một hệ thống (sigma-delta modulator) đã được chọn vì khả năng phạm vi động rộng của nó. Việc sử dụng bộ điều biến sigma-delta kỹ thuật số dẫn đến cảm biến cân bằng lực, vòng khép kín kỹ thuật số.
Kỹ thuật vi máy silicon đã được sử dụng để chế tạo một gia tốc chính xác cao, micro-g. Hoạt động trong cấu hình vòng kín, gia tốc sử dụng cảm biến trường tĩnh điện và phản hồi lực tĩnh điện. Bộ cảm biến bao gồm một cụm ba chip silicon, liên kết với nhau bằng lát bán dẫn. Lớp trung tâm bao gồm (proof mass), lò xo và cấu kiện đỡ. Khắc điện hóa từ cả hai mặt của lát bán dẫn được sử dụng để tạo thành một cấu trúc đối xứng hai mặt giúp giảm thiểu độ nhạy trực giao và độ lệch sóng điều hòa. Các lò xo hỗ trợ khối lượng được tạo thành bằng hợp chất để có được (ứng suất gần bằng không trong khoảng nhiệt độ hoạt động).Hai nắp silicon bên ngoài tạo thành một khoang chứa và cung cấp các điện cực với khoảng cách chính xác cũng như lực bảo vệ.
(Cảm biến micromachined )được vận hành trong chân không để loại bỏ( none-linear vicous damping ) và cung cấp (mạch cộng hưởng cơ học bậc hai cao). (near critical damping) được cấu tạo bằng vòng lặp khép kín. Hệ thống điều khiển là (highly over-sample sigma-delta modulator) tạo ra dải động rộng và đầu ra kỹ thuật số trực tiếp. (the second-order spring-mass system) tạo ra sự thống nhất cho (bộ điều biến sigma-delta). Hình thành nhiễu của bộ điều biến cho phép phạm vi dy¬namic từ vi g đến g-range, đồng thời tạo ra méo hài cực thấp. Đầu ra một bit được giải mã bằng bộ lọc kỹ thuật số hai tầng 8.000 cổng, được thiết kế riêng cho gia tốc kế và chế tạo bằng công nghệ CMOS 1,5 micron.
Bài báo sẽ mô tả chip cảm biến 3,5 x 4,0 mm vi ba, bộ điều biến sigma-delta "đầu vào tăng tốc đầu ra kỹ thuật số" và phân tích phần tử hữu hạn của cấu trúc cơ học. Hiệu suất thu được từ các đơn vị nguyên mẫu sẽ được trình bày
GIỚI THIỆU
Thiết kế của một gia tốc kế micro-g với kích cỡ đầu vào là 0,1 g, dải động 120 dB và độ lệch sóng điều hòa nhỏ hơn 0,1%, yêu cầu phương pháp thiết kế khác nhau. Để đạt được dải động 120 dB, một đầu ra số phỉa đạt yêu cầu. Ban đầu không thử chuyển đổi đầu ra của một gia tốc điện dung sang tần số tương tự, và sau đó chuyển đổi tần số thành tín hiệu số, không mang lại kết quả đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật trên. Các cảm biến điện dung, khi hoạt động ở áp suất khi quyển với các khoảng trống hẹp yêu cầu, có giảm nhớt phi tuyến tính, giảm xóc và các vấn đề về lực tĩnh điện. Để giải quyết các vấn đề giảm xóc, một cảm biến hoạt động trong chân không được xem xét và cuối cùng được lựa chọn. Hoạt động của cảm biến trong chân không dẫn đến đỉnh cộng hưởng Q cao, tạo ra nhiều vấn đề. Tất cả các nỗ lực làm giảm cảm biến thụ động mà không biến dạng hay đứt gãy. Sau đó, (the high Q second-or¬der spring-mass system) được thay thế cho chức năng truyền lệnh thứ hai được yêu cầu trong hệ thống phản hồi thứ hai. Các lực tĩnh điện trên khối lượng, chứ không phải là một vấn đề, được sử dụng như là lực phản hồi. Thay vì điện dung, cảm biến được thực hiện bằng cảm biến trường tĩnh điện. Một hệ thống (sigma-delta modulator) đã được chọn vì khả năng phạm vi động rộng của nó. Việc sử dụng bộ điều biến sigma-delta kỹ thuật số dẫn đến cảm biến cân bằng lực, vòng khép kín kỹ thuật số.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét