Устройство стабилизации температуры микромеханического чувствительного элемента

Устройство стабилизации температуры микромеханического чувствительного элемента

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к чувствительным элементам инерциального типа, например к акселерометрам и гироскопам. Практически все типы инерциальных датчиков чувствительны к изменениям температуры окружающей среды. Этот недостаток присущ и датчикам нового типа: микромеханическим. Известны микромеханические акселерометры (например, серия ADXL фирмы Analog Devices [1]), вибрационные датчики угловой скорости (например, серия ENC фирмы Murata, вибрационные гироскопы Stark Draper Laboratory [2]). Изменение температуры окружающей среды приводит в них к температурному дрейфу нуля и изменению чувствительности. Эффективным методом уменьшения влияния температуры окружающей среды на них является использование систем стабилизации температуры [2]. Поэтому в некоторые из чувствительных элементов встраивают датчик температуры, как в ADXL 105 [1]. Уменьшить влияния градиентов температуры на точность инерциальных датчиков можно за счет изменения в них с помощью специальных нагревательных элементов рассеиваемой в датчиках мощности. Например, в акселерометре по патенту Российской Федерации №2120639 [3] введен резистивный нагревательный элемент, который через регулировочный резистор подключается к источнику постоянного тока. Это позволяет за счет ручной регулировки уменьшить градиенты температуры в этом чувствительном элементе в начальные моменты времени после включения, однако не обеспечивает стабилизации температуры акселерометра, что приводит к ухудшению его точности при изменениях температуры окружающей среды. Снижение точности чувствительного элемента при изменениях температуры окружающей среды и является недостатком устройства по патенту Российской Федерации №2120639, которое принято в качестве прототипа. К недостаткам прототипа можно отнести и низкую экономичность, т.к. помимо мощности, рассеиваемой в нагревательном элементе, дополнительная величина мощности рассеивается и на регулировочном резисторе. Недостаток прототипа обусловлен и тем, что в нем используется не активная (автоматическая) система стабилизации температуры, а пассивная (ручная, выполняемая один раз) компенсация градиентов температуры.

Целью изобретения является повышение точности чувствительного элемента за счет использования системы стабилизации температуры, повышения точности и экономичности последней.

Дополнительной целью предлагаемого изобретения является уменьшение габаритов и стоимости чувствительного элемента с встроенной системой стабилизации температуры в случае его выполнения по полупроводниковой технологии, например, в виде микромеханического устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство стабилизации температуры чувствительного элемента, содержащее нагревательный элемент, снабжено датчиком температуры чувствительного элемента, подключенным к входу корректирующего звена, и транзистором с близкой к линейной зависимостью между входным сигналом и током через него, являющимся нагревательным элементом и установленным на чувствительном элементе, при этом выход корректирующего звена соединен с входом нагревательного элемента.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что корректирующее звено выполнено в виде дифференциального усилителя, выход которого через последовательно соединенные конденсатор и резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что в корректирующее звено между основным резистором и конденсатором введены дополнительный усилитель и дополнительные первый и второй резисторы, первый дополнительный резистор включен между основным резистором и конденсатором, вход дополнительного усилителя подключен к общей точке первого дополнительного резистора и конденсатора, а выход через второй дополнительный резистор подключен к общей точке основного и первого дополнительного резисторов.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что датчик температуры установлен в центре одной из поверхностей чувствительного элемента, а нагревательные элементы - на ее периферии или на смежных с ней поверхностях.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что вокруг датчика температуры, транзисторов, являющихся нагревательными элементами, и чувствительного элемента нанесено покрытие с низкой теплопроводностью.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства стабилизации температуры чувствительного элемента.

Устройство стабилизации температуры чувствительного элемента 1 содержит нагревательный элемент 2, снабжено датчиком температуры 3 и корректирующим звеном 4. При этом элементы 2 и 3 встроены в элемент 1 или расположены на его поверхности, вход звена 4 соединен с выходом элемента 3, а выход звена 4 подключен ко входу элемента 2.

На фиг.2 приведен пример реализации предложенного устройства стабилизации температуры чувствительного элемента.

Устройство стабилизации температуры чувствительного элемента 1 содержит нагревательный элемент 2, выполненный в виде МОП транзистора, датчик температуры 3 выполнен в виде источника напряжения (отметим, что датчик температуры может быть построен на кремниевом полупроводниковом диоде, он имеет чувствительность примерно 2мВ/°С), выход которого подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 5, выход которого через последовательно соединенные конденсатор 6 и резистор 7 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 5. Элементы 5-7 образуют корректирующее звено 4. Резистор 8 соединен с резистором 9. Общая точка резисторов 8,9 соединена с инвертирующим входом дифференциального усилителя 5, вывод резистора 8 подключен к источнику напряжения 10, который соединен со стоком транзистора 2, затвор которого подключен к выходу усилителя 5. Вывод резистора 9 и исток транзистора 2 соединены с общим источника 10. В качестве варианта реализации нагревательного элемента на биполярном транзисторе может быть использована т.н. схема "токового зеркала" или токоотвода с диодным смещением, описанная в литературе [4, стр.75].

На фиг.3 приведен вариант выполнения реализации корректирующего звена 4. В этом корректирующем звене дополнительный дифференциальный усилитель 11 и дополнительные первый и второй резисторы (соответствено резисторы 12 и 13) подключены следующим образом: первый дополнительный резистор 12 включен между основным резистором 7 и конденсатором 6, неинвертирующий вход дополнительного усилителя 11 подключен к общей точке первого дополнительного резистора 12 и конденсатора 6, а выход через второй дополнительный резистор 13 подключен к общей точке основного 7 и первого дополнительного 12 резисторов и соединен со своим инвертирующим входом.

На фиг.4 приведен пример расположения датчика температуры и транзисторов на поверхности малогабаритного чувствительного элемента, имеющего форму параллелипепеда, например датчика угловой скорости серии ENV фирмы Murata. Датчик температуры 3 установлен на верхней поверхности датчика угловой скорости, а транзисторы нагреватели 2,14, например биполярные транзисторы, на двух боковых поверхностях.

На фиг.5 датчик, приведенный на фиг.4, установлен на теплоизолирующем основании 15 и закрыт сверху и боков теплоизолирующей крышкой 16.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. Датчик температуры 4 преобразует температуру чувствительного элемента 1 в электрический сигнал, который корректирующим звеном 4 усиливается и преобразуется в сигнал управления нагревательным элементом 2. Нагревательный элемент 2 изменяет рассеиваемую в чувствительном элементе 1 мощность в зависимости от сигнала датчика температуры 4 и поддерживает температуру чувствительного элемента 1 постоянной.

Устройство на фиг.2 работает следующим образом. МОП-транзистор 2 имеет зависимость между током стока Iст и напряжением затвор-исток Uзи, близкую к линейной. Мощность Р, рассеиваемая транзистором, равна произведению Icт-U₁₀, (U₁₀ - напряжение источника 10). Поэтому зависимость между выходной мощностью нагревательного элемента, выполненного в виде МОП-транзистора, входным и выходным сигналами корректирующего звена 4 будет линейной. Отметим, что в отличие от прототипа вся рассеиваемая мощность используется для нагрева элемента 1.

Корректирующее звено 4 реализует передаточную функцию,

соответствующую ПИ-регулятору (s-оператор Лапласа). Как известно, ПИ-регулятор (реализует пропорциональный и интегральный закон управления) позволяет получить нулевую статическую ошибку. А благодаря тому что элементы, образующие устройство, линейные, полоса пропускания может быть выбрана максимальной во всем диапазоне выходных мощностей нагревательного элемента.

Отметим, что в случае резистивных нагревателей и управления током через них выходная мощность оказывается пропорциональна квадрату управляющего сигнала, что приводит к зависимости контурного усиления от выходной мощности. И в этом случае сложнее обеспечить требуемые и качество переходных процессов, и быстродействие.

Устройство на фиг.3 работает следующим образом. Ток, протекающий через конденсатор 6, усиливается усилителем 11 в R12/R13 раз. Этим достигается эффект т.н. умножения емкости С₆, причем коэффициент умножения равен отношению сопротивлений резисторов R12/R13 (до 10000, как проверено в эксперименте). Благодаря этому можно получить относительно большие постоянные времени при малых значениях емкости конденсатора С₆. Это свойство упрощает задачу реализации корректирующего звена в кристалле кремния при создании микромеханического чувствительного элемента. Отметим, что получение больших емкостей при использовании полупроводниковой технологии невозможно.

В устройстве на фиг.4 при использовании в качестве нагревателей 2,14 транзисторов типа КТ814 было получено за счет использования предложенного устройства уменьшение влияния температуры окружающей среды в 30 раз. Это обусловлено тем, что при симметричном размещении нагревательных элементов по периферии датчика температуры достигается стабилизация средней по объему чувствительного элемента температуры.

Подобное расположение реализуемых по полупроводниковой технологии нагревательных элементов и датчика температуры обеспечивает стабилизацию средней температуры всего кристалла кремния, в котором реализован микромеханический чувствительный элемент. Теплоизоляция чувствительного элемента в соответствие с фиг.5 позволяет снизить потребляемую при стабилизации температуры мощность и тем самым повысить экономичность устройства. Отметим, что в случае микромеханического чувствительного элемента корпус его целесообразно выполнять из теплоизолирующего материала.

Литература

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

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

3. Курносов В.И., Андрюхин А.И. "Акселерометр", пат. Российской Федерации №2120639.

4. А.Б.Гребен. "Проектирование аналоговых интегральных схем," Энергия, М.,1976.

1. Устройство стабилизации температуры микромеханического чувствительного элемента, содержащее, по меньшей мере, один транзистор, отличающееся тем, что содержит датчик температуры, подключенный к входу корректирующего звена, а транзистор является нагревательным элементом, выполнен с близкой к линейной зависимостью между входным сигналом и током через него и установлен на микромеханическом чувствительном элементе, корректирующее звено выполнено в виде дифференциального усилителя, выход которого через последовательно соединенные конденсатор и основной резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого соединен с управляющим электродом транзистора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в корректирующее звено между основным резистором и конденсатором введены дополнительный усилитель и дополнительные первый и второй резисторы, первый дополнительный резистор включен между основным резистором и конденсатором, вход дополнительного усилителя подключен к общей точке первого дополнительного резистора и конденсатора, а выход через второй дополнительный резистор подключен к общей точке основного и первого дополнительного резисторов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик температуры установлен в центре одной из поверхностей микромеханического чувствительного элемента, а указанные транзисторы - на ее периферии или на смежных с ней поверхностях.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вокруг датчика температуры, указанных транзисторов и микромеханического чувствительного элемента нанесено покрытие с низкой теплопроводностью.