Измерительные цепи емкостных МЭМС-датчиков для ракетно-космической техники

• Автор: Калинин, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 05.11.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Пенза
• Количество страниц: 145 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений и обозначений

Введение

1 Состояние разработок емкостных МЭМС-датчиков и измерительных

цепей для них

1.1 Состояние разработок емкостных МЭМС-датчиков.

Дифференциальный кремниевый микроконденсатор - основной

элемент конструкции МЭМС-датчика

1.2 Основные проблемы развития емкостных МЭМС-датчиков

и измерительных цепей для них

1.3 Измерительные цепи МЭМС-датчиков
1.4 Приоритетные направления совершенствования
емкостных МЭМС-датчиков
Выводы и задачи дальнейших исследований
2 Исследование конструктивно-технологических методов повышения стабильности измерительных цепей емкостных МЭМС-датчиков
2.1 Исследование технологических проблем совершенствования емкостных МЭМС-датчиков
2.2 Исследования температурно-деформационной нестабильности смещения нуля измерительных цепей емкостных
МЭМС-датчиков
2.3 Исследование механизмов влияния полупроводниковых свойств кремния на нестабильность емкостных МЭМС-датчиков
2.4 Исследование возможности оптимизации выбора известных измерительных цепей для построения высокостабильных
емкостных МЭМС-датчиков
Выводы

3 Исследование возможности повышения стабильности емкостных МЭМС-датчиков за счет реализации измерительных цепей
на основе схем импульсного уравновешивания
3.1 Исследование возможности повышения стабильности емкостных МЭМС-датчиков за счет построения измерительной цепи
на основе схемы с импульсным уравновешиванием зарядов
3.2 Исследование возможности повышения стабильности емкостных МЭМС-датчиков за счет реализации измерительной цепи
на основе схем импульсного уравновешивания сил
3.3 Исследование и разработка методов стабилизации зарядового состояния в дифференциальном кремниевом микроконденсаторе МЭМС-датчика
Выводы
4 Экспериментальные исследования разработанных МЭМС-акселерометров на основе реализации режимов импульсного уравновешивания в измерительных цепях
4.1 МЭМС-акселерометр с измерительной цепью на основе схемы
с импульсным уравновешиванием зарядов
4.2 МЭМС-акселерометр с измерительной цепью на основе импульсного уравновешивания
4.3 Экспериментальные исследования уровня собственных шумов разработанных МЭМС-акселерометров
4.4 Метрологическое обеспечение экспериментальных
исследований
Выводы
Заключение
Список использованных источников
Приложение А - Акты внедрения результатов работы

Список сокращений и обозначений
А - акселерометры
АС - анализатор спектра
АЧХ - амплитудо-частотная характеристика
ВВТ - военно-воздушная техника
ДД - датчик давления
ДКК - датчик концентрации кислорода
ДКМ - дифференциальный кремниевый микроконденсатор
ДМРВ - датчик массового расхода воздуха
ДПА - датчико-преобразующая аппаратура
ДСП - датчик скорости и положения
ДТ - датчики температуры
ЕПП - емкостный преобразователь перемещения
ИК — измерительный канал
ИО — измерительная ось
ИОН - источник опорного напряжения
ИПТМ - Институт проблем точной микроэлектроники и особо чистых материалов
ИПТМУ - Институ т проблем точной механики и управления
ИЦ - измерительная цепь
КЧХ - комплексная частотная характеристика
МДП - металл-диэлектрик-полупроводник
МСТ - микросистемная техника
MX — метрологическая характеристика
МЭМС - микроэлектромеханическая система
ООС - отрицательная обратная связь
ОП - обратный преобразователь
ПД - полупроводник - диэлектрик
ПЗН - преобразователь «заряд - напряжение»

2 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЦЕПЕЙ ЕМКОСТНЫХ МЭМС-ДАТЧИКОВ
2.1 Исследование технологических проблем совершенствования емкостных МЭМС-датчиков
Технологии микроэлектроники и микросистемотехники за последние пятнадцать лет можно отнести к числу наиболее популярных технологий как в России, так и за рубежом. Перспективы применения указанных технологий долгое время считались практически неограниченными [33, 39, 63, 68, 75, 78, 79, 95, 107]. На их основе созданы датчики различных физических величин, являющиеся простыми в изготовлении и надежными в использовании. Однако, одна из главных задач создания любого средства измерений - повышение точности, для МЭМС-датчиков на сегодняшний день не решена. В настоящее время актуальность проблемы сохраняется, а сложность ее возрастает, поскольку найденные пути совершенствования порождают необходимость решения новых задач, которые для объективного анализа требуют обращения к началу разработок.
Опыт разработки серийных образцов МЭМС-акселерометров АЛЕ 049 показывает, что трудности практической реализации технологий МСТ в ДКМ МЭМС-датчиков в наибольшей мере связаны с выявлением и исключением влияния множества сопутствующих процессу внедрения технологических и конструктивных решений физических эффектов. При работе емкостного МЭМС-датчикаони чаще всего проявляют себя в виде нестабильностей выходного сигнала, увеличении времени вхождения в режим до (5-10) минут и ограничивают возможности их дальнейшего совершенствования. Рассматривая возможности улучшения метрологических характеристик МЭМС-датчиков, необходимо считать их сложными динамическими системами, в которых протекают взаимосвязанные физи-